close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Larin 02F04181AA

код для вставкиСкачать
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение высшего образования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
В. П. Ларин
ИНТЕГРИРОВАННЫЕ
ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ СИСТЕМЫ
И ИПИ-ТЕХНОЛОГИИ
Учебное пособие
Санкт-Петербург
2016
УДК681.2(075)
ББК 32.97-02я73
Л25
Рецензенты:
кафедра приборостроения Национального
минерально-сырьевого университета («Горный»);
доктор технических наук профессор Ю. З. Бубнов
Утверждено
редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Ларин В. П.
Л25 Интегрированные производственные системы и ИПИ-технологии: учебное пособие / В. П. Ларин. – СПб.: ГУАП, 2016. – 189 с.
ISBN 978-5-8088-1162-1
Изложены теоретические основы системного проектирования
автоматизированных производственных систем и информационного обеспечения технологического проектирования и процессов
производства. Рассмотрено решение задач технологической системотехники по разработке и обеспечению функционирования технологических систем приборостроительного производства.
Предназначено для изучения дисциплины «Интегрированные
производственные системы и ИПИ-технологии» магистерских направлений 12.04.01 – Приборостроение и 11.04.03 – Проектирование и технология электронных средств, а также рассчитано на использование при изучении дисциплины «Основы автоматизации
технологических процессов» основных образовательных программ
бакалаврской подготовки по направлениям 12.03.01 и 11.03.03.
УДК 681.2(075)
ББК 32.97-02я73
ISBN 978-5-8088-1162-1
©
©
Ларин В. П., 2016
Санкт-Петербургский государственный
университет аэрокосмического
приборостроения, 2016
ПРЕДИСЛОВИЕ
Проблема автоматизации производственных процессов является актуальной со времени зарождения промышленного производства продукции. В кратком описании историю развития автоматизации производственных процессов можно представить следующей
последовательностью:
– автоматизация отдельных видов работ;
– автоматизация группы технологических операций и технологических процессов;
– создание автономных переналаживаемых автоматизированных технологических комплексов;
– создание гибких автоматизированных производственных комплексов;
– создание интегрированных производственных систем с функциями CAD-CAM-CAE;
– создание интегрированных производственных систем с использованием ИПИ-технологий.
Современные условия развития производства выдвигают совершенно новый набор требований, предъявляемый как к конечным
продуктам, так и к производителям. В первую очередь экономические – это улучшение качества продукта при снижении его себестоимости для производителя. А это влечет за собой изменения как
технологии, так и системы управления производством. Процесс
модернизации оборудования и технологий всегда связан со значительными капитальными вложениями, и рациональность подхода
в этом случае играет существенную роль в сроках окупаемости инвестиций.
Существует несколько подходов для реализации поставленных
перед производителем задач. Первый из них – это полная автоматизация технологического цикла или процесса, второй – частичная автоматизация, подразумевающая наличие как автоматически
выполняемых операций, так и присутствие ручного труда. Как
правило, такая технология построена по конвейерному принципу.
Третий подход представляет собой решение задач оптимизации отдельных технологических процессов (ТП) на базе полуавтоматических устройств.
В связи с тем, что большинство предприятий мирового промышленного производства имеют мелкосерийный характер при
большой номенклатуре производимых изделий, принципиальное
значение имеет обеспечение быстрой переналадки производства
3
при смене объектов производства. Это свойство производственных
систем, называемое гибкостью, является основным при разработке производств любой отрасли. Реализация этого свойства является сложной научно-технической проблемой и пути решения задач
гибкой автоматизации связаны не только с компьютеризацией производственного процесса и всех систем, интегрированных с технологическими системами, но с новыми подходами и методами конструкторско-технологического системотехнического проектирования объектов производства, подготовки производства, информационного сопровождения выполняемых разработок и управления
производственной системой.
В автоматизированном производстве стабилизируется качество
продукции, повышается ритмичность выпуска и уменьшается влияние на производство субъективных факторов. Автоматизация
производства предъявляет более высокие требования к квалификации рабочего персонала и способствует росту этой квалификации.
Повышение уровня автоматизации производственных процессов
улучшает условия труда, делает труд более комфортным и безопасным, способствует его интеллектуализации.
Чтобы автоматизация подготовки производства и технологических процессов была экономически эффективной, необходимо выполнение ряда условий:
– повышение технологичности конструкции изделий;
– обеспечение доступа к информации о конструкции изделий;
– создание технологических процессов, прогрессивных с точки
зрения производительности, себестоимости и способности к автоматизации;
– обеспечение доступа к информации о технологических процессах изготовления изделий;
– создание условий для технологического обеспечения качества
изделий;
– наличие надежных и безопасных устройств автоматизации
всех остающихся неавтоматизированными элементов рабочего
цикла.
В настоящее время большинство эффективно функционирующих промышленных предприятий переходят на проектное управление. На таких предприятиях разработка и выпуск продукции
осуществляются под определенный заказ – это и незначительные
модификации уже отработанных конструкций, и разработка новых
изделий. Заказы могут быть различными по объему и по срокам, но
всех их объединяет то, что они должны быть реализованы к опре4
деленному времени и не должны превышать заложенный бюджет.
Для того чтобы исполнение заказов – проектов укладывалось в
определенные пределы сроков и стоимости, необходимо тщательно
планировать и контролировать эти проекты [1]. Как правило, производство и конструкторские отделы работают одновременно над
несколькими заказами, следовательно, появляется задача эффективного распределения имеющихся производственных мощностей
и человеческих ресурсов. Кроме того, на промышленном предприятии имеется ряд задач, не относящихся непосредственно к проектированию и производству продукции, но в то же время требующих
планирования и контроля – это работа с поставщиками комплектующих и материалов, капитальный и оперативный ремонт оборудования, маркетинговая деятельность, реклама и т. д. Таким
образом, вся деятельность предприятия представляется в виде совокупности взаимосвязанных проектов, что говорит о необходимости использования методологии управления проектами как основы для построения системы управления предприятием. Наиболее
подходящим средством, позволяющим реализовать корпоративное
управление проектами предприятия, является система управления
проектами Primavera Project Planner for the Enterprise (PPE).
Одними из самых важных и трудоемких этапов разработки нового или модификации существующего изделия являются конструкторская и технологическая подготовка производства. На этих
этапах работа ведется с большим объемом документации. Документация, как правило, бывает представлена в разных форматах
(текстовые документы, чертежи, отчеты, таблицы и т. д.) и может
разрабатываться в различных прикладных автоматизированных
системах (CAD/CAM/CAE). Автоматизированная система управления должна обеспечивать хранение данных и связанных с ними документов, а также управление структурой изделия и изменениями.
Кроме того, при разработке изделия требуется спроектировать множество деталей. Для каждой детали данные должны быть созданы,
изменены, просмотрены, проверены и утверждены различными
людьми и, возможно, по несколько раз. Более того, разные типы
деталей могут потребовать различных методов разработки и различных типов сопровождающих их данных: для одних это – твердотельные модели, для других – схемы печатных плат, программы
для ЧПУ и т. д. Но и это еще не все: модификация практически
любых данных может оказывать влияние на другие связанные с
ними данные. Таким образом, возникает потребность в постоянной
взаимной проверке и увязке модифицируемых данных, другими
5
словами – в обеспечении их целостности. В случае одновременно
выполняемых изменений, легко может сложиться ситуация, при
которой конструктор или технолог прикладывает значительные
усилия при работе с данными, которые уже перестали быть актуальными в силу того, что кто-либо другой уже изменил их.
Задача упорядочивания этого чрезвычайно сложного потока работ (т. е. процесса передачи данных, документов и заданий между
участниками), а также задачи управления всем объемом разнородных данных, которые порождаются, хранятся и используются
в различных системах, управление составом изделия (включая,
управление изменениями и конфигурацией) решаются с помощью
PDM (Product Data Management)-технологии – технологии управления всеми данными об изделии и процессами, создающими и использующими эти данные в течение всего жизненного цикла (ЖЦ)
изделия [2, 3]. Эта технология реализована в PDM-системах, широко представленных на рынке информационных технологий (ИТ).
PDM-системы являются одним из основных инструментов CALSтехнологий (Continuous Acquisition and Life cycle Support) – технологий непрерывной информационной поддержки ЖЦ продукции.
В основе CALS-технологий лежит процесс совместного использования данных, полученных на различных стадиях ЖЦ изделия. Это
понятие включает в себя весь комплекс данных, которые создаются
и используются на всем ЖЦ изделия. Эти данные включают в себя
информацию о конфигурации и структуре изделия, характеристики и свойства, организационную информацию (описание процессов,
связанных с изменением данных об изделии), документы, которыми «обрастает» изделие с момента его проектирования до момента
его продажи и дальнейшего сервисного обслуживания [4]. В отличие от АСУ и АСУП CALS охватывает все стадии ЖЦ продукции.
Как показывает мировая практика, применение CALSтехнологий в качестве инструмента для информационной поддержки всех участников создания и использования изделия, существенно повышает эффективность деятельности организации. Это
происходит за счет ускорения процессов исследования и разработки изделий, придания им новых свойств, сокращения издержек в
процессах производства и эксплуатации продукции, повышения
уровня сервиса при эксплуатации и техническом обслуживании.
В настоящее время под CALS-технологиями понимаются технологии повышения эффективности бизнеса, основанные на интенсивном информационном взаимодействии субъектов хозяйственной
деятельности и совместном использовании информации в ходе
6
ЖЦ изделия или продукта. Другими словами, ключевым аспектом этих технологий является организация оперативного взаимодействия всех участников ЖЦ в едином информационном пространстве, формируемом весьма экономично, по принципу – «одноразовый ввод информации при последующем ее многократном
использовании». По оценкам специалистов грамотное применение
CALS-технологий позволяет ускорить процесс разработки новых
наукоемких изделий в 25–30 раз при одновременном значительном повышении качества выпускаемой продукции и сокращении
(до 30%) издержек при производстве и эксплуатации. Кроме того,
применение CALS-технологий на всех стадиях ЖЦ изделия способствует непрерывному улучшению качества самого изделия и связанных с ним процессов [4].
При разработке наукоемких изделий, помимо управления стоимостью и сроками выполнения проекта, необходимо управлять данными об изделии, структурой изделия, изменениями, процессом передачи данных, документов и заданий между участниками. Первые
две задачи решаются с помощью системы управления проектами,
последние – PDM-системой. Одним из способов создания системы
управления промышленным предприятием является интеграция
этих двух систем. Полученная интегрированная система позволит
осуществлять проектное управление всей деятельностью предприятия, а также управление данными об изделии при его разработке
(конструкторской и технологической подготовке производства).
Содержание пособия основано на материалах цикла лекций по
одноименной дисциплине, читаемой автором в ГУАП на протяжении более двадцати лет.
7
1. ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ СИСТЕМА,
ЕЕ СВОЙСТВА И ХАРАКТЕРИСТИКИ
1.1. Характеристика системных свойств производства
Различные типы предприятий, независимо от формы организации, объектов или предметов деятельности, обладают определенным набором свойств, которые формируются при проектировании
предприятия или его реконструкции. Свойства оцениваются характеристиками или параметрами. Изменение цели функционирования приводит к изменению характеристик или параметров предприятия. При значительных изменениях цели функционирования
изменяется (или просто увеличивается) набор свойств. Развитие
производства, как непременное условие его существования, практически всегда сопряжено с наращиванием набора свойств, описывающих цель функционирования.
Свойства производства формируются при реализации цели проектирования предприятия и проявляются в той или иной мере в зависимости от качества его функционирования, которое, в свою очередь,
зависит от правильности формулировки цели проектирования и заложенных проектных решений. Задача настоящего раздела и состоит в
рассмотрении современного подхода к формированию свойств производственной системы и способов их реализации при проектировании.
Любое производство представляет собой человеко-машинную систему, сложность которой возрастает с увеличением масштаба производства, совершенствования качества услуг, уровня автоматизации и
т. п. Усложнение производства связано также с объективными причинами, вызванными экономическими и научно-техническими требованиями развития современного промышленного производства.
Повышение требований обусловлено сокращением сроков обновления номенклатуры продукции, увеличением ее функциональной и
конструктивной сложности, повышением требований к стабильности основных параметров выпускаемых изделий и их надежности,
что в конечном итоге приводит к необходимости повышения эффективности функционирования производственной системы.
Для обеспечения указанных требований необходима широкая
автоматизация производства, которая основывается на интеграции
функций производственной системы, развитии ее информационного обеспечения, внедрении современных технологий, эффективных
основных и вспомогательных средств производства, систем организации и управления производства.
8
Специфичность современных задач автоматизации любого производства определяется тем, что во всех отраслях производства наблюдается тенденция к увеличению номенклатуры продукции и
возрастанию доли мелкосерийного характера производства.
Для решения всех этих задач и удовлетворения современным
требованиям существует система теоретических и научно-практических методик построения так называемых гибких производственных систем. В настоящее время чаще применяется название –
интегрированные (или компьютерно-интегрированные) производственные системы.
Гибкая производственная система (по ГОСТ 26228) представляет
собой совокупность в разных сочетаниях оборудования с программным управлением, роботизированных технологических комплексов,
гибких производственных модулей, отдельных единиц технологического оборудования и систем обеспечения их функционирования в
автоматическом режиме. Система функционирует в течение заданного интервала времени, обладает свойством автоматизированной
переналадки при производстве изделий произвольной номенклатуры в установленных пределах значений их характеристик.
Интегрированные производственные системы (ИПС) предполагают интеграцию не только внутрипроизводственных функций, но
и интеграцию функций проектирования и производства, а ИПИтехнологии развивают эту интеграцию на информационно-проектное сопровождение продукции по всему ее жизненному циклу.
В настоящее время сложился определенный перечень принципов построения ИПС, которые при их успешной реализации в
проекте становятся свойствами ИПС. Основные принципы – это
совокупность исходных положений и тенденций, которыми руководствуются при создании ИПС и которые позволяют идентифицировать их как объекты исследования, разработки, внедрения и эксплуатации. Наиболее важные из них:
1) гибкость, переналаживаемость;
2) совмещение высокой производительности и универсальности;
3) функциональность;
4) модульность;
5) иерархичность;
6) преимущественная программная перенастройка;
7) обеспечение максимальной предметной замкнутости производства;
8) интеграция ИПС с проектными, управляющими и обеспечивающими системами (САПР изделия, АСТПП и др.).
9
Перечисленные принципы реализуются при создании ИПС на
основе системного подхода, применяемого при проектировании и
исследовании сложных систем и рассмотренного в подразд. 1.6.
1.2. Функциональная структура производственной системы
В соответствии с системными положениями построения и изложенными выше подходами к составу производственной системы и
формированию ее структуры, функциональная структура ИПС (по
современной концепции интегрированной производственной системы) содержит элементы и имеет функциональные связи, показанные на рис. 1.1. Большая система – компьютерно-интегрированная
автоматизированная система проектирования и производства состоит из двух крупных систем: интегрированной системы технологического обеспечения создания продукции и интегрированной
производственной системы. Эти две системы имеют структурные
части высшего ранга, показанные на рис. 1.1.
Системы 1–4, входящие в интегрированную производственную систему, составляют систему обеспечения качества функционирования ИПС, а системы 5–9 составляют систему обеспечения
функционирования ИПС. Информационную связь проектных и
производственных систем, а также поддержку производственного
процесса на всем протяжении выполнения заказа по конкретному
изделию, осуществляет интегрированная автоматизированная система управления (ИАСУ).
Иерархичность структуры систем, их многоуровневость поясняется примерами, приведенными на рис. 1.2, где показаны структуры: а – системы управления; б – складской системы; в – транспортной системы.
Структура конкретной проектируемой производственной системы может отличаться от типовой структуры, приведенной на
рис. 1.1. Аналогично может отличаться иерархия составляющих
систем по числу уровней и решаемым задачам на каждом уровне от
приведенных на рис. 1.2 примеров.
Набор структурных элементов на каждом иерархическом уровне
определяется общей целью создания системы и теми функциями,
которые необходимо реализовать на каждом уровне при функционировании системы в целом. Постановка задачи проектирования ИПС
формулируется следующим образом. При заданных целях, известных исходных данных и ограничениях найти такую комбинацию па10
Интегрированная система
технологического
обеспечения создания
продукции
Система технологического проектирования
разработчика
Система технологической подготовки
опытного производства
База данных
конструкторскотехнологического
проектирования
Система технологической подготовки
серийного производства
САПР объектов
производства
САПР технологических
процессов
Система формирования
и поддержки
ИПИ-технологий
САПР технологического
оснащения
Система технологического
планирования
Интегрированная автоматизированная
система управления информационными
процессами
ИАСУ ИПС
Интегрированная
производственная
система
1
Производственные участки технологической системы
Автоматизированная
система управления
производством
2 Система автоматизированного оперативного
планирования и управления
3
4
5
Автоматизированная
складская система
6
Автоматизированная
транспортная система
7
Автоматизированная
система инструментального
обеспечения
8
Система материальнотехнического обеспечения
9
Система эксплуатационного
обеспечения
Автоматизированная
система контроля
Система качества
Рис. 1.1. Функциональная структура интегрированной
производственной системы
раметров и характеристик производственной системы, которые обращают показатель качества функционирования системы в максимум.
Комбинация параметров и характеристик производственной системы определяется при разработке функциональной структуры
11
а)
Автоматизированная
система управления
производством
б)
Автоматизированная
складская система
в)
Автоматизированная
транспортная система
Система автоматизированного оперативного
планирования и
управления
Автоматизированные
склады
производственного
участка
Автоматизированная
транспортная система
производственного
участка
Автоматизированная
система управления
производственным
участком
Автоматизированный
склад технологического комплекса (линии)
Автоматизированная
система управления
гибким технологическим комплексом
(линией)
Программно-управляемая позиция
накопления (входные,
буферные, выходные
накопители)
Автоматизированные
транспортные
устройства технологического комплекса
(линии)
Система программного
управления гибким
производственным
модулем (станком,
установкой и др.)
Программноуправляемые
устройства внутриоперационного
транспортирования
Рис. 1.2. Примеры иерархического построения системных структур
ИПС путем установления характера и последовательности преобразования материальных и информационных потоков и соответствующей этому преобразованию укрупненной конфигурации иерархической многоуровневой системы управления ИПС.
Разработка укрупненной функциональной структуры проводится по следующим стадиям:
1) определение технологических маршрутов и их технологического обеспечения;
2) формирование реализаций ТП различными наборами и сочетаниями специализированных модулей;
3) определение состава систем для обеспечения функционирования технологической системы;
4) определение общей конфигурации системы управления разрабатываемой ИПС.
Каждое выбранное техническое средство любой из рассматриваемых систем в структуре проектируемой ИПС описывается параметрами и характеристиками. В результате получаем комбинации
параметров и характеристик. Остается определить, какая из комбинаций дает максимальный эффект.
12
1.3. Система качества предприятия
Успех той или иной фирмы зависит от конкурентоспособности
выпускаемых ею товаров или оказываемых услуг. Только высокой
степени качества продукция (услуга) может быть востребована на
рынке и приносить прибыль. Для любого предприятия, заинтересованного в выпуске качественной продукции, концепция качества
должна строиться на следующих принципах.
1. Качество не является ни функцией технического отдела, ни
функцией отдела качества. Качество представляет собой систематический процесс, охватывающий все предприятие, а также потребителей и поставщиков.
2. Процесс обеспечения качества должен быть построен таким
образом, чтобы обеспечить и качественную работу отдельных сотрудников, и качественную работу всех отделов и подразделений
фирмы в целом.
3. Повышение качества должно обеспечиваться на этапах маркетинга, разработки, проектирования, производства и обслуживания, а не только на стадии изготовления.
4. В процессе движения к достижению высокого уровня качества
во главу угла должны быть поставлены требования потребителя.
5. Повышение качества продукции на современном уровне требует применения новых технологий: от методов обеспечения качества конструкции до автоматизированного управления, измерения
и контроля качества.
6. Широкомасштабное повышение качества возможно только при
участии всех сотрудников фирмы. Улучшение качества достигается
только через взаимопомощь, совместные действия всех сотрудников.
7. Высокий уровень качества достижим только тогда, когда фирма разработает четкую, ориентированную на потребителя систему
управления качеством и внедрит ее во всех звеньях.
В организации работ по качеству главное требование – это комплексность охвата всех факторов, обеспечивающих качество на
всем жизненном цикле изделия, увязка их по конечному результату, определяемому системой стандартов ИСО и дополнительными договорными условиями. Существует много разновидностей
теоретических подходов к организации работ по качеству: «триада
Д. Джурана», «цикл PDCA», «круг Деминга» и др., однако принципиальных различий между ними нет, а основой являются этапы
«петли качества». На рис. 1.3 приведена схема замкнутого цикла
деятельности предприятия по управлению качеством, удовлетво13
ПЛАНИРОВАНИЕ
ОБЕСПЕЧЕНИЕ
Подготовка
Проектирование производства
продукции
Маркетинг
Корректировка
конструкции и
технологии
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ
ПРЕДПРИЯТИЕ
УПРАВЛЕНИЕ
Изготовление
(оказание услуг)
Сбыт
Эксплуатация
КОНТРОЛЬ
РЕЗУЛЬТАТОВ
Рис. 1.3. Схема замкнутого цикла деятельности предприятия
по управлению качеством
ряющая требованиям ИСО и объединяющая различные подходы.
Цикл направлен на постоянное совершенствование процессов и
продукции и закрепление достигнутых результатов на каждом новом витке петли качества. Суть управления сводится к непрерывному повторению цикла при одновременном совершенствовании
методик деятельности на этапах цикла.
Понятие качества продукции (услуги) подразумевает ориентацию на потребителя, который представляет собой арбитра продукции. В связи с этим качество должно быть соотнесено с нуждами
потребителя и его ожиданиями. Качество должно быть оценено
потребителем. Из этого следует, что качество представляет собой
относительное понятие, которое в большей степени определяется
конкуренцией на рынке и потому носит название – потребительское качество. Качество продукции как товара, так и услуги, может
со временем значительно ухудшиться (без изменения технических
характеристик), если конкуренты выпустят на рынок альтернативную продукцию с лучшими характеристиками.
Качество приравнивается к удовлетворенности потребителя, которая представляется понятиями «ценность за деньги» или «отношение качество – деньги»:
Q = CS = V / C,
где Q – качество продукции (услуги); CS – удовлетворенность потребителя; V – ценность продукции с точки зрения потребителя
(потребительское качество); C – стоимость или затраты, которые
понес потребитель.
Потребитель сравнивает альтернативные предложения, измеряя в каждом из них отношение ценности V к стоимости C – эквива14
лент его удовлетворенности, и, следовательно, фирмы, конкурирующие на рынке, должны работать над тем, чтобы по возможности
увеличить это отношение. Ужесточение конкуренции заставляет
фирмы работать так, чтобы в наибольшей степени увеличить отношение V / C, повышая ценность продукции V и снижая при этом ее
стоимость C.
Рассмотрим наиболее распространенные термины, связанные с
управлением качеством.
Обеспечение качества – совокупность планируемых и систематически проводимых мероприятий, необходимых для создания
уверенности в том, что изделие или услуга удовлетворяют определенным требованиям к качеству.
Управление качеством – методы и деятельность, используемые
для удовлетворения требований к качеству. Управление качеством
включает в себя методы и виды деятельности оперативного характера, направленные одновременно на управление процессом и
устранение причин неудовлетворительного функционирования на
определенных стадиях петли качества.
Улучшение качества – постоянная деятельность, направленная
на повышение технического уровня продукции, качества ее изготовления, совершенствование элементов производства и системы
качества.
Сочетание обеспечения, управления и улучшения качества
представляет собой деятельность в системе качества.
Система качества – совокупность организационной структуры, ответственности, процедур и ресурсов, направленных на внедрение комплексного управления качеством.
Общее руководство качеством – аспект общей функции управления, определяющий и осуществляющий политику в области качества.
Система качества, будучи инструментом управления качеством,
является субъектом управления. Она воздействует на производство тем, что организует и регламентирует выполнение следующих
функций:
– разработка политики качества (разработка программы качества, мероприятий по обеспечению качества и управлению качеством, планирование качества);
– контроль качества продукции на всех этапах ее создания;
– сбор, анализ и распределение информации о качестве выпускаемых изделий и перспективных образцов, а также о достижениях науки, техники и технологии;
15
– разработка и внедрение в производство необходимых мероприятий, направленных как на устранение выявленных недостатков,
так и на совершенствование основных факторов качества (материальной базы, организации работ и человеческого фактора);
– работа с поставщиками, смежниками и потребителями по вопросам качества.
Эти функции тесно связаны между собой, что собственно и дает
основание для объединения их в системе качества.
Для того чтобы установить требования, диктующие организацию формирования качества на предприятии, применительно к
конкретному виду изделий, необходимо отработать в системе качества горизонтальные связи по взаимодействию всех участников
создания изделий, включая конструкторов, технологов, производственников, специалистов по маркетингу и гарантийному обслуживанию, а также поставщиков и смежников.
По каждому этапу процесса формирования качества устанавливаются:
– требования, обеспечивающие необходимый уровень качества
конкретного изделия;
– способы выполнения необходимых мероприятий на этапах;
– порядок оценки и контроля мероприятий.
Для определения сфер производственной деятельности, которые
подлежат включению в процесс обеспечения качества, необходимо
сформировать некоторое множество факторов, определяющих качество. Например, для сборочного производства в это множество
должны быть включены следующие группы факторов: конструкция, комплектующие, материалы, производственно-эксплуатационное обслуживание и технологическая оснастка. Целесообразно
провести анализ групп с целью определения значимости каждой из
них. Следующая задача заключается в анализе этих факторов с позиций специальных функций системы качества, реализуемых элементами производственной системы.
Рабочим документом, детально раскрывающим пути и способы
реализации концепции качества предприятия, является программа
качества. Программа качества должна быть двухуровневой по своему
составу. Первый уровень – комплекс мероприятий стратегического
характера (внешний контур петли качества), обеспечивающих реализацию основных направлений деятельности предприятия, сформулированных и включенных в его политику в области качества.
В связи с тем, что ИПС может влиять на качество конструкторской разработки только опосредованно (т. е. совершенствование
16
конструкции, снижение доли дефектности, связанной с качеством
разработки конструкции, происходит по мере освоения изделия в
производстве и по результатам эксплуатации), то группу факторов
«конструкция» отнесем к первому уровню программы качества как
общепроизводственную задачу.
Остальные группы факторов имеют отношение только к ИПС и
качеству ее технологической подготовки, поэтому должны быть отнесены ко второму уровню программы качества. Программные положения второго уровня должны разрабатываться для реализации
целей и задач тактического характера, в частности – для обеспечения качества продукции в соответствии с техническими требованиями на серийно выпускаемую продукцию. Мероприятия, включаемые в этот уровень программы, необходимо нацелить на снижение
производственных издержек за счет сокращения потерь от брака и
рекламаций, расхода материальных ресурсов и др.
Второй уровень разрабатывается для конкретного изделия или
группы однородных изделий, поставляемых одному заказчику (или
нескольким при идентичности технических требований к продукции).
Программа на втором уровне должна включать мероприятия по
совершенствованию технологии производства, методов и средств
контроля, проведению авторского надзора за качеством изготовления продукции, а также графики соблюдения технологической
дисциплины, аттестации испытательного оборудования, поверки
оборудования на технологическую точность, корректировки технологической документации.
Очевидно, что снижая внутренние потери из-за некачественного изготовления изделий, можно существенно уменьшить потери
внешние, обусловленные рекламациями, штрафами, гарантийным
ремонтом и т. п., т. е. ненадежностью изделий в эксплуатации.
Управление качеством конкретной продукции кроме общих
правил должно предусматривать применение специальных норм
и методов испытаний, условий хранения и других нормативов. На
практике такой подход приводит к тому, что на предприятиях, выпускающих различные виды продукции, кроме системы общего
руководства качеством, построенной по функциональному принципу, целесообразно для конкретной продукции разрабатывать целевые программы контроля качества, дополняющие систему общего руководства качеством требованиями целевого характера.
Таким образом, получается система качества, соединяющая в
себе функциональный принцип и целевую программу управления
качеством.
17
Система управления качеством, по сути, является системой повышения надежности – одного из важнейших потребительских
свойств изделия. В основу этой системы положена так называемая
энтропийная концепция возникновения отказов. В соответствии с
ней отказы изделий при эксплуатации обуславливаются неопределенностями в производстве (эти неопределенности накапливаются
и превращаются в отказы). Таким образом, качество изготовления
изделий – это функция организованности производственного процесса. Энтропия – это мера их неорганизованности, определяемая
по уровню дефектности.
При таком подходе суть управления заключается в следующем:
определяется экономически целесообразная величина снижения
уровня дефектности, устанавливается уровень, до которого необходимо повысить уровень организованности производственного процесса, разрабатываются и реализуются мероприятия, обеспечивающие необходимое повышение этого уровня. Следовательно, при
планировании и стимулировании качества необходимо решение
вопроса об оптимальном качестве, которое можно определить при
учете затрат на достижение его определенного уровня.
Повышать качество продукции целесообразно лишь в том случае, если ее полезность растет быстрее, чем расходы, необходимые для достижения данного качества. Экономическую эффективность обеспечения качества можно пояснить на графиках рис.
1.4. Кривая полезности b(x) характеризует зависимость поступлений от продажи продукции от уровня качества x, а кривая затрат
c(x) – зависимость от x производственных затрат на обеспечение
качества.
Анализируя график, можно убедиться, что одинаковую прибыль (b – c) можно обеспечить при различных затратах на обеспечение качества, т. е. по обе стороны от вертикали x = x3, соответствующей максимальному значению прибыли (b – c), имеются по
одному значению x, каждому из которых соответствует одинаковая
прибыль. На графике можно выделить несколько характерных точек. До точки x1 и после точки x4 расходы превышают доход от продукции. Между точками x1, x4 можно выделить два оптимальных
значения уровня качества. Уровень качества x2 соответствует max
(b / c), т. е. максимальной отдаче на каждую условную единицу затрат на повышение качества продукции. Уровень качества x3 соответствует max (b – c), т. е. максимальной прибыли. Всегда x3 > x2.
Разность (x3 – x2) является экономической основой большого числа
конфликтов в области экономики качества.
18
С1,С2
b,c
С1 + С2
c(x)
b(x)
С1
С2
0
x1 x2
x3
x4
x
Рис. 1.4. График, характеризующий
экономическую эффективность
xопт
x
Рис. 1.5. Зависимости затрат
от уровня качества
Совершенствование технологических процессов сдвигает оба оптимальных уровня качества в сторону их увеличения (на графика –
вправо).
Чтобы снизить потери С1 от брака (рис. 1.5) и повысить уровень
качества, приходится увеличивать затраты С2 на планирование и
выполнение мероприятий по повышению качества, на профилактический ремонт и замену производственного оборудования, на
совершенствование системы качества и т. д. На графике рис. 1.5
точка пересечения зависимостей С1 и С2 от уровня качества продукции x определяет уровень качества xопт, соответствующий минимальным издержкам. Приведенные графики позволяют понять
суть имеющихся зависимостей и принять правильные решения по
управлению качеством.
1.4. Обеспечение показателей качества
проектируемой ИПС
К основным показателям качества проектируемой ИПС относятся гибкость, надежность, производительность и экономичность.
Гибкость современного производства является одной из важнейших характеристик. Чем больше номенклатура производимой продукции и меньше серийность, тем большее значение имеет проблема
обеспечения гибкости. С позиций системного подхода обеспечение
гибкости – это обеспечение быстроты реагирования производственной системы на различного рода возмущения. Основными источниками внутренних и собственных возмущений в производственной
19
системе являются: объекты производства; технологические процессы, реализуемые в системе; технологическое и вспомогательное
оснащение; организация производства и др. (рис. 1.6). На входе производственной системы действуют внешние источники возмущений
(колебания и дефектность поставок комплектующих, материалов,
ресурсов, колебания спроса и др.). Результатами воздействия возмущений на производственную систему и ее элементы могут быть:
– продолжение штатного функционирования (плановая переналадка, настройка оборудования, предусмотренная как составная
часть процесса, профилактические работы);
– частичная потеря работоспособности (изменение планов-графиков запуска изделий, нештатное подключение резервных мощностей – недогруженного оборудования, оборудования, не включенного в управляемую часть ИПС и др.);
– простой (восстановление работоспособности оборудования, оснастки, элементов системы управления, ожидание поставки заготовок, комплектующих, тары, инструмента и др.).
В зависимости от возникшего состояния системы выбирается
вариант реагирования на возмущение. Возможность быстрого и цеТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
Х1
Х2
Основные подсистемы, реализующие
технологические процессы
Y1
Y2
Собственные источники
возмущений
Подсистемы, обеспечивающие
функционирование
технологической системы
Внутренние
системные
источники
возмущений
Подсистема подготовки
и сопровождения
технологической системы
Подсистема контроля
и управления качеством
Информационно-управляющая
подсистема
Внешние
источники
возмущений
Рис. 1.6. Структура возмущений, действующих
в производственной системе
20
ленаправленного реагирования системы на возникшее возмущение
зависит от имеющихся форм и видов гибкости, реализованных при
проектировании ИПС. Классификационная схема изменяемости технологических систем (ТС) видов перестроения и вариантов обеспечения гибкости при воздействии возмущений, приведена на рис. 1.7.
Гибкость ИПС оценивается коэффициентом гибкости ηг, определяющим качественную сторону потенциально заложенной в проект
гибкости и являющимся функцией от коэффициентов структурной
(ηс.г), технологической (ηт.г) и организационной (ηо.г) гибкости:
ηг = f( ηс.г, ηт.г, ηо.г).
С учетом отдельных влияющих факторов (возмущений) и показателей реагирования на них, коэффициент ηг можно записать
в виде
ηг = f (V),
где V = f(ʋ, Θ) – изменяемость ТС; ʋ – частота перестроения (изменяемости состояний) системы за фиксированный календарный срок;
Θ – число структурных элементов ИПС, требующих перестроения.
Реализуемая в ИПС функция гибкости может быть выражена
следующим образом:
F = ψ (Tп, Tв, ʋ, n, N, Θ, S, Ti),
где Tп – временная характеристика процесса переналадок; Tв – временная характеристика процесса восстановления работоспособности системы за счет средств обеспечения гибкости; n – номенклатура изделий, производимых в ИПС; N – средний объем партий, запускаемых в ИПС; S – количество функциональных связей (транспортных, информационных), требующих перестроения; Ti – усредненный показатель трудоемкости перестроения.
Надежность ИПС необходимо рассматривать в двух направлениях анализа и оценки:
– надежность технологического, вспомогательного оборудования и систем управления;
– надежность технологического процесса.
Эти направления взаимозависимы и взаимосвязаны, но теоретическая основа анализа и оценки различна.
Анализ и оценка надежности оборудования проводится по классическим методам исследования надежности машин, приборов и
систем и под надежностью понимают свойство объекта выполнять
заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в
заданных пределах в течение требуемого промежутка времени или
21
22
Технологическая гибкость
Комбинированный
вариант
Организационная гибкость
– по номенклатуре
– по частоте переналадки
– по цикличности переналадки
Использование
резервных
мощностей
Структура видов
гибкости
Принятие решения
по выбору
варианта
реагирования
Варианты
ситуаций
Причины
возмущений
Источники
возмущений
в системе
Рис. 1.7. Классификационная схема изменяемости ТС, видов перестроения
и вариантов обеспечения гибкости при воздействии возмущений
– агрегатная
– транспортная
– управления
Восстановление
работоспособности
– маршрутная
– операционная
– программная
Переналадка
Структурная гибкость
Программное
перестроение
– болезненное
состояние
– принятие
ошибочных
решений
– несоответствие
уровня
квалификации
– задержки с
принятием
решений
Обслуживающие кадры
Длительный простой
– смена оснастки
– отказы оборудования и оснастки
– смена управляющих программ
– сбои в программах управления
Оснащение
системы
Временный простой
– изменение
маршрута
– изменения
состава
операции
– изменение
(колебания)
режимов
Технологические операции
Частичная потеря
работоспособности
– сбои в поставке
(поступлении)
комплектующих
– сбои в поставке
технологических материалов
– простои из-за
профилактического обслуживания
– сбои в поставке
оснастки
Организация
производства
Штатное
функционирование
– изменения в
конструкции
– смена партии
изготовления
– колебания
качества
Объекты
изготовления
ЭЛЕМЕНТЫ ТС
требуемой наработки. Надежность оборудования отрабатывается
по безотказности, ремонтопригодности и долговечности.
Для восстанавливаемых (ремонтируемых) изделий, к которым
относится любое производственное оборудование, основными показателями надежности являются: вероятность безотказной работы;
средняя наработка (до отказа, между отказами); коэффициент готовности; среднее время восстановления.
Надежность технологических процессов – это такое их свойство, которое обеспечивает изготовление продукции при заданных
условиях производства в течение установленного времени с требуемыми показателями качества и ритмом выпуска. Являясь вероятностной характеристикой, она может быть оценена отношением
числа качественных изделий к общему количеству выпущенных
изделий. Такой подход характерен для оценки надежности ТП производства простейших механических и электронных устройств, а
также при производстве комплектующих – элементной базы аппаратуры. Для сложных приборных комплексов, систем управления,
выпускаемых мелкими сериями или единично, показатели надежности ТП тесно связаны с основной характеристикой изделия, с его
надежностью в процессе эксплуатации. Надежность ТП оказывает
в данном случае хотя и косвенное, но решающее влияние на надежное функционирование изделий и определяется как
Hтп = Hв.к · Hс-м · Hп.к,
где Hв.к – надежность входного контроля; Hс-м – надежность сборочно-монтажного процесса; Hп.к – надежность приемочного контроля.
Рассчитав вероятности появления брака на всех этапах обобщенного ТП, можно оценить Нтп. Производительность является одним
из важнейших показателей оценки эффективности автоматизированного технологического оборудования и ИПС в целом. Различают
понятия – производительность труда и производительность оборудования (станка, агрегата, установки и т. п.). Производительность
труда Wt – это количество произведенных изделий N, отнесенное
к трудовым затратам T: Wt = N / T. Другими словами, это полная
оценка времени, в течение которого изготавливались N изделий.
Производительность оборудования Qt учитывает только то время,
в течение которого непосредственно изготавливались изделия, т. е.
время производительной работы, называемое штучным временем.
При многономенклатурном производстве за смену приходится многократно переналаживать оборудование для изготовления партий
23
других деталей, поэтому необходимо учитывать затраты времени
на переналадку. Время на проведение технологической операции с
учетом таких затрат называют штучно-калькуляционным:
Tшт.к = Tшт + Tп.з / n,
Tшт = Tо.а + Tв.а + Tв.оп + Tуст + Tконт + Tдоп,
где Tуст – время на установку и снятие изделия; Тконт – время на
контроль изделия; Тдоп – дополнительное время (на обслуживание
оборудования, смену инструмента, магазинов, уборку и др.).
В анализ фонда времени обязательно входит анализ времени потерь Tпот, главными составляющими которого являются внутрисменные потери (отсутствие заготовок, тары, инструмента, материалов и др.), организационные межсменные потери, ремонт, устранение брака и др.
С рассмотренными временными показателями связано определение таких важных характеристик, как коэффициент технического
использования Kт.и и коэффициент загрузки оборудования Kз:
Kт.и = Tо.а / (Tо.а + Tв.а); Kз = (Tшт – Tпот) / Tшт.
Эти характеристики и затраты на функционирование ИПС определяют ее экономичность. Экономичность в основном характеризуется технологической себестоимостью изготовления изделий заданного качества. Заданное качество зависит от свойства ТП, называемого стабильностью – возможностью сохранения показателей
качества производимой продукции в заданных пределах в течение
некоторого времени.
С позиции обеспечения гибкости и надежности экономичность
ИПС целесообразно оценивать функцией потерь:
Fп = (V, HИПС, Kзагр, Kпр.спос),
где V – изменяемость ИПС; НИПС – надежность ИПС; Kзагр – коэффициент загрузки оборудования; Kпр.спос – коэффициент пропускной способности элемента ИПС (комплекса, линии, участка).
1.5. Сертификация изделий и производств
В условиях рыночных отношений, когда предприятиям и организациям предоставлено право самостоятельного выхода на внешний рынок, они сталкиваются с проблемой оценки качества своей
продукции. Необходимым инструментом, гарантирующим соот24
ветствие качества продукции требованиям нормативной документации, является сертификация.
Сертификация в общепринятой международной терминологии
определяется как установление соответствия. Это соответствие
устанавливается специализированной организацией и подтверждается соответствующим документом (сертификатом).
Приведем некоторые определения, действующие в этой области.
Система сертификации – система, располагающая собственными правилами процедуры и управления для проведения сертификации соответствия.
Орган сертификации – орган, проводящий сертификацию соответствия.
Сертификат соответствия – документ, изданный в соответствии с правилами системы сертификации и указывающий, что
должным образом идентифицированная продукция, процесс или
услуга соответствует конкретному стандарту или другому нормативному документу.
Цели сертификации, как указано в Законе РФ о сертификации,
следующие:
– создание условий для деятельности предприятий на российском рынке и для участия в международной торговле;
– содействие потребителям в компетентном выборе продукции;
– защита потребителя от недобросовестности изготовителя;
– контроль безопасности продукции и подтверждение заявленных показателей качества.
Установлены следующие формы сертификации: обязательная,
добровольная и самостоятельная. Обязательная сертификация касается продукции, включенной в перечень, утвержденный Правительством РФ. Добровольная сертификация проводится по инициативе юридических лиц и граждан на основе договорных отношений
между заявителями и органами по сертификации. Самостоятельная или самосертификация – создается самим предприятием – изготовителем продукции. При этом сертификаты на изделия выдает
само предприятие строго под свою ответственность.
Заявленная на сертификацию продукция проходит испытания.
Испытания проводятся на образцах, конструкция, состав и технология изготовления которых должны быть такими же, как у продукции, поставляемой потребителю. Количество образцов, порядок их отбора, правила идентификации и хранения определяются
правилами системы сертификации продукции с учетом нормативных документов. На основе анализа протоколов испытаний орган
25
сертификации проводит оценку соответствия установленным требованиям, оформляет и регистрирует сертификат. Срок действия
сертификата на продукцию не превышает трех лет.
Результаты сертификации системы качества используются:
– при сертификации продукции;
– при выборе государственными органами предприятий, которым могут быть предложены госзаказы;
– при выборе потребителем предприятий – поставщиков продукции.
В случае, когда в задачу сертификации входит только оценка
качества производства, в рассмотрение вводят понятие сертификации производства. Под сертификацией производства (производственной системы) понимают действие, доказывающее, что должным образом идентифицированное производство обеспечивает соответствие производственной системы требованиям качественного
изготовления продукции (требованиям стандартов).
Для сертификации производств нужна проверка качества продукции, качества технологических процессов и их составных частей. Модель обеспечения качества производства менее жесткая по
сравнению с моделью системы качества.
1.6. Принципы построения ИПС
При дальнейшем рассмотрении принципов построения, состава,
проектирования системы будем пользоваться аббревиатурой ИПС,
имея в виду, что современные производственные системы обязательно строятся на принципах гибкого производства, но в то же
время они интегрированы по составу, функциям, управлению и информационному сопровождению всех интегрированных функций.
В настоящее время сложился определенный перечень принципов построения ИПС, перечисленных в подразд. 1.1. Рассмотрим
их подробнее.
1. Принцип гибкости, переналаживаемости, позволяющий
обеспечить изготовление в ИПС необходимой номенклатуры продукции и осуществлять переход с изготовления одного изделия на
другое.
2. Принцип совмещения высокой производительности и универсальности, предполагающий нахождение оптимального соединения универсальности и автоматизации на базе программноуправляемого и программно-переналаживаемого оборудования.
26
3. Принцип функциональности определяет структурное построение ИПС. Соблюдение этого принципа препятствует ненужной избыточности структуры, обеспечивает эффективное использование
каждого элемента структуры. Есть понятия:
– функционально достаточная система, т. е. система, которая
по своему структурному построению содержит необходимое (для
данного уровня требований) число функциональных структурных
элементов;
– функционально избыточная система, т. е. система, в структуре которой есть элементы, используемые в масштабе ИПС неэффективно, по сравнению с другими функциональными структурными
элементами.
Принцип функциональности при проектировании реализуется
по следующим правилам:
– состав функций, подлежащих реализации в ИПС, должен
быть проанализирован, обоснован, доказан;
– для реализации каждой функции назначается структурный
элемент в составе ИПС.
4. Принцип модульности предусматривает построение производственной структуры ИПС на базе модулей. Под гибким производственным модулем понимается элемент производственной системы, состоящий из технологического оборудования, оснащенного автоматизированным устройством программного управления и
средствами автоматизации технологического процесса, автономно
функционирующий и имеющий возможность встраиваться в систему более высокого уровня. Модули бывают как технологические,
так и модули вспомогательных подсистем ИПС – модули складов,
транспорта, инструментального обеспечения и др.
5. Принцип структурной иерархичности ИПС представляет собой многоуровневую структуру: на верхнем уровне – гибкие
автоматизированные производства (цехи, участки), общепроизводственные подсистемы склада, транспорта, материально-технического обеспечения и др., затем – гибкие автоматизированные
линии и комплексы, автоматизированные склады, транспортные
комплексы, системы инструментального обеспечения, автоматизированные системы управления, контроля и др., на нижнем уровне
находятся производственные модули со своими средствами накопления, внутри- и межоперационного транспортирования, устройствами управления, контроля, магазинами инструментов и др.
Примеры иерархичности структур систем, входящих в ИПС, были
приведены на рис. 1.2.
27
6. Принцип преимущественной программной перенастройки.
При реализации этого принципа временные потери на переналадку минимальны, так как основное и вспомогательное оборудование
при смене изделий перенастраивается путем ввода и запуска новых
управляющих программ.
7. Принцип обеспечения максимальной предметной замкнутости производства на возможно более низком уровне ИПС позволяет свести к минимуму затраты на транспорт и манипулирование
объектами производства. Одновременно достигается снижение количества детале-операций при общем повышении гибкости ИПС.
8. Принцип интеграции ИПС с проектными, управляющими и
обеспечивающими системами.
Интеграция технологических систем и систем автоматизированного проектирования изделий, подготовки производства, управления производством и т. д. позволяет автоматизировать сквозной
цикл «проектирование – изготовление» и создать информационное сопровождение изделия на всех этапах ЖЦ. Достигается это на
основе полной совместимости систем на уровне математического,
программного и информационного обеспечений, вплоть до создания единой автоматизированной базы данных, позволяющей реализовать поддержку и сопровождение изделия при проектировании, подготовке производства, изготовлении и эксплуатации.
ИПС, проектируемая на основе рассмотренных принципов, обладает свойствами, перечисленными на рис. 1.7. Свойства ИПС,
реализуемые в проекте, зависят от факторов внешней среды. Под
внешней средой подразумеваются специфические особенности,
определяемые видом собственности предприятия, регионом и местом расположения, отраслевой принадлежностью, ролью и значиВНЕШНЯЯ СРЕДА
Фактор конкуренции
Фактор мирового
научно-технического
развития
Фактор обновления
продукции
СВОЙСТВА ИПС:
ИПС
– тип производства (функциональное назначение);
– структурный уровень;
– интегрированность;
– уровень автоматизации;
– гибкость;
– номенклатура;
– серийность;
– технологический уровень;
– характеристика оснащения;
– характеристика системы
качества и др.
Рис. 1.8. Свойства производственной системы
и определяющие факторы
28
мостью предприятия в структуре регионального, государственного и мирового производства и многие другие. В качестве наиболее
значимых факторов внешней среды, влияющих на формирование
свойств ИПС, на рис. 1.8 указаны фактор конкуренции (по видам
выпускаемой продукции, влияющий на уровень автоматизации и
систему качества проектируемой ИПС), фактор мирового научнотехнического развития (влияющий на технологические свойства
ИПС), фактор обновления продукции (влияющий на гибкость, интегрированность и уровень автоматизации ИПС).
29
2. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СИСТЕМ
2.1. Задачи проектирования
автоматизированных производственных систем
Целью проектирования производственной системы является
создание системы, обладающей высокими показателями качества
функционирования (в том числе гибкостью) и обеспечивающей требуемое качество объектов производства.
Проектирование производства на основе принципов гибкой производственной системы является сложной и трудоемкой инженерной
задачей, имеющей целью разработку наиболее эффективного проекта
на основе новейших достижений науки и техники, обеспечивающего
высокие показатели по использованию оборудования, гибкости, производительности, качеству продукции, себестоимости и т. д.
Проект ИПС укрупненно состоит из организационно-технологической, конструкторской и информационно-управляющей частей.
Организационно-технологическая часть проекта включает в
себя аванпроект, заявку на проектирование ИПС, техническое задание (ТЗ) на проектирование ИПС, проект ИПС, рабочую документацию. Заявка на создание ИПС составляется на основе аванпроекта, определяющего необходимость и целесообразность ее создания,
соответствие мировому уровню и требованиям международных
нормативных документов, обоснование технико-экономических и
экологических показателей и изложение вариантов путей их достижения, требования к структурно-функциональным схемам построения ИПС в целом и ее составных частей. Разрабатываются также
основные положения по организации производства, управлению и
метрологическому обеспечению и выбирается состав системы обеспечения функционирования ИПС, т. е. определяются ее основные
функции и технические требования к подсистемам. В аванпроект (и
в бизнес-план) часто включают результаты предварительного обоснования проекта с позиций социально-экономического аспекта.
Примерная схема анализа социальных факторов труда включает
следующие направления анализа: структура кадров; условия труда
на рабочем месте; степень удовлетворенности сотрудников условиями труда; текучесть кадров; оплата и стимулирование труда.
Исходным документом для создания ИПС является ТЗ, разрабатываемое на основе результатов аванпроекта. В ТЗ определяется состав задач, решаемых ИПС, уточняются ее технико-экономические
30
показатели, номенклатура изделий, подлежащих изготовлению,
состав технологического и вспомогательного оборудования, требования к реализуемым системам обеспечения функционирования
ИПС, к организационному, информационному и программному
обеспечению и др. Таким образом, ТЗ на проект ИПС – это совокупность уточненных документов, содержащих все исходные данные и
требования на ИПС в целом и ее составные части, а также сведения,
дающие полное представление о составе и устройстве системы.
Автоматизация производственных процессов на практике осуществляется на разных уровнях (рис. 2.1). Автоматизация нулевого уровня ограничивается исключением участия человека только
при выполнении рабочих ходов. Примером может служить включение и выключение вращения шпинделя или движения подачи
инструментов. Автоматизация нулевого уровня называется также
механизацией. Поэтому для проведения автоматизации необходимо прежде провести механизацию производственных процессов.
При автоматизации рабочего цикла в серийном и поточном производствах часто ограничиваются созданием устройств, исключающих участие человека в выполнении холостых ходов на отдельных
агрегатах технологического оборудования. В этом случае говорят
об автоматизации первого уровня и при расчете штучного времени
учитывается как основное время рабочих циклов, так и вспомогательное время, затрачиваемое на отвод и подвод инструмента, загрузку оборудования и контроль, а также время технического обслуживания, затрачиваемое на смену инструмента, наладку оборудования, удаление отходов, управление и отдых рабочего.
Автоматизация первого уровня не подразумевает связь рабочих
машин между собой автоматической связью. Транспортировка и
контроль обрабатываемых изделий осуществляется в этом случае
с участием человека. Применяемое технологическое оборудование
может в этом случае быть как автоматическим, так и полуавтоматическим. В случае использования полуавтоматического оборудования автоматизируется только процесс изготовления собственно
изделия (детали), а его установка и снятие осуществляется с участием человека. В случае использования автоматического оборудования автоматизируется как процесс изготовления одного изделия
(детали), так и его установку и снятие. Примером автомата может
служить современный токарный многошпиндельный станок, который выполняет обтачивание, сверление, зенкерование, развертывание и нарезание резьбы, причем заготовкой является многократно автоматически подаваемый до упора стальной пруток.
31
32
Автоматизированный
цех (АЦ)
Автоматизированная
технологическая линия
(АТЛ)
Автоматизированный
технологический участок (АТУ)
АТМ,
Автоматизированный
технологический комплекс
(АТК)
Автоматизированный
технологический модуль
(АТМ)
Элементы
производственной
системы
Программное выполнение основных и вспомогательных операций в АТМ
Программная смена инструмента
Программный контроль объектов изготовления
Программный контроль режимов операций и исполнительных органов оборудования
Управление межоперационным транспортированием в АТК
Программное управление накопителями
Сбор, обработка и передача информации в АСУ верхнего уровня (о состоянии, загрузке;
заявки на комплектацию и инструмент; количественные показатели; статданные по
качеству)
Выполнение функций АТМ и АТК, входящих в АТЛ или АТУ
Программное управление накоплением, хранением и выдачей объектов изготовления
Программное управление накоплением, хранением и выдачей инструментов и
оснастки
Программное управление транспортированием объектов изготовления в соответствии
с выбранным алгоритмом управления
Программное управление транспортированием инструментов и оснастки в
соответствии с выбранным алгоритмом управления
Планирование и оперативное управление АТЛ или АТУ (создание потока работ:
управление заказами; разработка сменно-суточных заданий и календарно-сетевых
графиков)
Создание отчетной документации по объектам изготовления и по АТЛ или АТУ
Выполнение функций 2-го уровня автоматизации
Планирование и оперативное управление АЦ (создание потока работ:
управление заказами и поставками; разработка сменно-суточных заданий и
календарно-сетевых графиков для АЦ в целом и для АТУ и АТЛ)
Создание отчетной документации по объектам изготовления и по производственной
системе
Автоматизация процесса технологической подготовки производства нового изделия
Отчетная документация системы качества
Выполнение функционально-стоимостного анализа
Программное управление режимами и исполнительными органами технологического
оборудования
Функции элементов производственной системы
Рис. 2.1. Структурные уровни автоматизации производственной системы
3-й уровень
(Автоматизация производственной системы – крупной структурной единицы
предприятия)
2-й уровень
(Автоматизация технологических процессов, выполняемых в АТМ и АТК,
объединенных в структуре
линии или участка)
0-й уровень
(Автоматизация основных
операций, выполняемых в
технологическом модуле)
1-й уровень
(Автоматизация всех
операций в автономном
технологическом модуле
или автоматизация технологического комплекса)
Структурные уровни
автоматизации
Автоматизация второго уровня сводится к автоматизации технологического процесса в целом. При втором уровне автоматизации обеспечивается решение задач автоматизации транспортировки, контроля изделия (детали), удаления отходов и управления
системами машин. Этому уровню автоматизации соответствуют
различного типа автоматизированные комплексы и линии.
2.2. Системный подход к проектированию ИПС
Перечисленные в разд. 1 принципы создания ИПС реализуются на
основе системного подхода, применяемого при проектировании и исследовании сложных технических систем. Системный подход базируется
на использовании четырех основных принципов: целостности, структурности, иерархичности и взаимодействия с окружающей средой.
1. Принцип целостности системы означает, что части системы
(подсистемы) при их исследовании рассматриваются как составляющие элементы, а их функциональное назначение подчинено единой цели в составе системы. Система представляет собой, с позиции
целостности, единство закономерно объединенных и находящихся
во взаимной связи частей – элементов системы.
Целостность не должна рассматриваться как простое суммирование свойств составных частей. Каждая составная часть при декомпозиции наделяется свойством целого, т. е. частной целевой функцией, предназначенной для выполнения основной целевой функции
системы. При синтезе мы получим вклад, долю каждой составной
части (элемента) в общую целевую функцию, реализуемую с определенной степенью полноты, точности, вероятности и т. п.
При анализе существенны только свойства элемента, которые
определяют его взаимодействие с другими элементами и вклад в
целое (в систему).
2. Любая техническая система имеет структуру, т. е. упорядоченную совокупность элементов, функционирующих для реализации определенной цели и выполняющих определенную функцию.
Структурные элементы в составе любой технической системы
возникают не случайно, а вполне закономерно на основе принципа
функциональности ее построения. Поэтому принцип структурности основывается на функциональном принципе выбора и обоснования структурных элементов.
При проектировании каждой функции, подлежащей реализации
в соответствии с заданием или логикой функционирования, выби33
рается определенный структурный элемент. Наличие взаимосвязей
между составляющими частями системы (структурными элементами), характер этих взаимосвязей, определенный целями функционирования и составляют принцип структурности системы.
Итак, под элементом структуры системы понимается структурная
составляющая, предназначенная для выполнения определенной совокупности функций и не подлежащая делению на данном структурном
уровне рассмотрения. Каждая система и каждый элемент системы
имеет структуру, позволяющую описать систему (целое) через сеть
связей и отношений системы, через обусловленность поведения системы поведением ее структурных элементов, свойствами ее структуры.
3. Иерархичность системы проявляется в том, что каждый
субъект системы является частью системы высшего ранга, но в то
же время он может быть и большой системой для подсистем низшего ранга. Другими словами, каждая подсистема, входящая в
структуру системы, имеет многоуровневость построения и на каждом уровне ее функции сохраняются и подчиняются единой цели
функционирования. В то же время на разработку каждого субъекта
системы задаются требования, определяемые требованиями системы высшего ранга, а требования на сам субъект определяют требования на разработку подсистем низшего ранга.
4. Функционирование любой производственной системы в значительной степени зависит и определяется окружающей средой и
процессами информационного обмена и анализа. Окружающей средой для производственной системы являются большие системы –
природная, социальная, энергетическая, транспортная и др. Условия функционирования производственной системы практически
по всем входам и выходам связаны с этими внешними системами.
Кроме того, окружающая среда (природная система с ее свойствами
и параметрами в локальной зоне) воздействует на технологические
процессы в производственной системе влияющими факторами.
Система на любом уровне рассмотрения должна быть определена. Определенность системы выражается через наблюдаемость и
контролируемость, а для этого свойства системы должны определяться параметрами и состояниями.
2.3. Разработка функциональной структуры ИПС
В соответствии с системными положениями построения и изложенными выше подходами к составу производственной системы и
формированию ее структуры, функциональная структура ИПС (по
34
современной концепции интегрированной производственной системы [6]) содержит элементы и имеет функциональные связи, показанные на рис. 1.1. Большая система – компьютерно-интегрированная автоматизированная система проектирования и производства состоит из двух крупных систем: интегрированной системы
технологического обеспечения создания продукции и интегрированной производственной системы, что соответствует положениям
ГОСТ Р 50995–96. Технологическое обеспечение создания продукции. Эти две системы имеют структурные части высшего ранга, показанные на рис. 1.1.
Постановка задачи проектирования ИПС формулируется следующим образом. При заданных целях, известных исходных данных
и ограничениях найти такую комбинацию параметров и характеристик производственной системы, которые обращают показатель качества функционирования системы в максимум.
Комбинация параметров и характеристик производственной системы определяется при разработке функциональной структуры
ИПС путем установления характера и последовательности преобразования материальных и информационных потоков и соответствующей этому преобразованию укрупненной конфигурации иерархической многоуровневой системы управления ИПС.
Разработка укрупненной функциональной структуры проводится по следующим стадиям [7]:
1) определение технологических маршрутов и их технологического обеспечения;
2) формирование реализаций ТП различными наборами и сочетаниями специализированных модулей;
3) определение состава систем для обеспечения функционирования технологической системы;
4) определение общей конфигурации системы управления разрабатываемой ИПС;
5) определение состава систем для обеспечения функционирования технологической системы;
6) определение общей конфигурации системы управления разрабатываемой ИПС.
Каждое выбранное техническое решение для любой из рассматриваемых систем в структуре проектируемой ИПС описывается
параметрами и характеристиками. В результате получаем комбинации параметров и характеристик. Остается определить, какая из
комбинаций дает максимальный эффект. Для этого необходимо выбрать критерии эффективности и методики решения задачи на ос35
нове выбранных критериев. Основным эффективным инструментом
разработки функциональной структуры производственной системы
является функциональное моделирование, методики которого рассмотрены в разд. 3.
2.4. Анализ факторов,
определяющих целесообразность автоматизации
Все факторы, определяющие целесообразность автоматизации и
влияющие на выбор варианта автоматизации, делятся на следующие группы:
– социально-экономические факторы (кадры, опасность производства, предельность человеческих возможностей, расходы на
зарплату, больничные, страховка и др.);
– организационно-экономические факторы (конкуренция, управляемость, стабильность внутриэкономических характеристик, культура производства, реклама и др.);
– технико-технологические факторы (уровень развития техники и технологии, точностной уровень, качество, выход на новое
поколение изделий, ресурсы и др.). На рис. 2.2 приведена схема,
иллюстрирующая одну из возможных методик предварительной
оценки целесообразности автоматизации какой-либо технологической операции или процесса. На схеме приведены 11 факторов,
определяющих целесообразность и значимость выполнения автоматизации операции (процесса). Каждому из факторов присвоено
определенное значение коэффициента значимости Ki. Для рассматриваемой операции (процесса) каждый из факторов может иметь
отношение или отсутствовать.
Сумма коэффициентов ΣKi по факторам, имеющим отношение
к рассматриваемой операции (процессу), максимально может дать
единицу. Можно установить определенное значение ΣKi , начиная
с которого можно считать автоматизацию рассматриваемой операции (процесса) целесообразной, например при значениях ΣKi > 0,5.
Понятно, что это будет только предварительное решение, которое
не определяет число автоматизируемых функций, уровень автоматизации, степень интеграции и другие характеристики автоматизации. Следовательно, необходимы последовательные шаги анализа для принятия решений по всем этим характеристикам с целью
нахождения наиболее эффективного решения. Обобщенная схема
характеристик, получаемых на основе расширения функций авто36
37
K7 = 0,04
K8 = 0,04
K10 = 0,04
K11 = 0,04
Некомфортные
условия труда
на операции
K6 = 0,04
Нестабильное
качество
выполняемой
работы
Рис. 2.2. Схема составляющих задачи анализа при определении
и обосновании целесообразности автоматизации технологической операции или процесса
Низкая
производительность
ручного труда
Необходимость
снижения затрат
и расхода ресурсов
K4 = 0,075
∑ Ki
K9 = 0,075
Возможность
обеспечения
требований
автоматизации
Монотонность операции,
повышенная утомляемость
при выполнении операции
Принятие решения
по автоматизации
K5 = 0,10
K3 = 0,15
K2 = 0,20
K1 = 0,20
Повышенные требования
к органолептическим
или психофизиологическим
возможностям человека
Высокая дефектность
из-за ручного
выполнения операции
Вредное влияние
на органы человека
Невозможность
выполнения операции
из-за ограниченных
способностей человека
Наличие опасностей
для здоровья рабочих и
возможность травматизма
38
Функция расширения
гибкой автоматизации
Снижение брака
Уменьшение
непроизводительных затрат
Рост качества
продукции
Снижение
затрат на
зарплату
Рост
производительности труда
Уменьшение
числа
работающих
Сокращение
незавершенного
производства
Снижение
отходов производства
Сокращение
количества
оборудования
Увеличение
коэффициента
сменности
оборудования
Сокращение
производственного цикла
Увеличение
сменности
Рис. 2.3. Обобщенная схема характеристик эффективности ИПС
Интеграция
подготовки
основного и
вспомогательного
производства
Автоматизация
управления
Автоматизация
вспомогательных
процессов
Автоматизация
основного
производства
Объем
прибыли
Эффект,
полученный
потребителем
матизации, т. е. интеграции различных функциональных задач,
показана на рис. 2.3.
2.5. Понятие интеграции
информационно-управляющих систем в ИПС
Опираясь на рассмотренную функциональную структуру интегрированной производственной системы, можно сделать следующие заключения:
– в структуре должна быть система управления информационным обеспечением и информационной поддержки всех процессов,
реализуемых в интегрированной системе технологического обеспечения создания продукции и в интегрированной производственной
системе. Эти функции дополнительно должна выполнять интегрированная автоматизированная система управления информационными процессами в ИПС (ИАСУ ИПС) и в дальнейшем на остальных стадиях ЖЦ;
– такая информационная система в силу различных по целевому назначению функций тоже должна быть интегрированной, так
как необходимо определенное единство банка данных и, как увидим позже, информационные подсистемы должны иметь постоянные устойчивые связи и обеспечивать взаимное использование
функций при решении своих задач.
На рис. 2.4 представлена схема задач, решаемых системами информационной поддержки проектов и процессов.
На верхнем уровне интегрированная информационная система
содержит две системы:
– систему, обеспечивающую выполнение проектных задач и
управление проектами в системе проектирования изделия и в интегрированной системе технологического обеспечения. Такую систему принято называть системой управления проектами (РРЕ);
– систему, обеспечивающую выполнение задач управления в интегрированной производственной системе. Такие системы называют системами управления данными об изделии и процессах и обозначают – PDM-системы.
Рассмотрим состав информационных систем автоматизации
ИАСУ ИПС [4], изображенный на рис. 2.5. На рис. 2.5 обозначены
системы: CAE – автоматизированные расчеты и анализ; CAD – автоматизированное проектирование; CAM – автоматизированная
технологическая подготовка производства; PDM – управление
39
ЗАКАЗЫ.
ПРОЕКТЫ.
РЕСУРСЫ.
ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ
МОЩНОСТИ
ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ:
– планирование всего проекта
– составление календарного
сетевого графика
– распределение ресурсов по
проектам
– планирование каждой
работы и назначение исполнителей
– мониторинг процессов
– сбор информации о ходе
выполнения проектов
– корректировка планов на
укрупненном и детальных
уровнях
КОНСТРУКТОРСКАЯ
И ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ
ПОДГОТОВКА
ПРОИЗВОДСТВА
ПРОЦЕССЫ
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОЕКТАМИ И
ПЛАНИРОВАНИЕ (РРЕ)
(управление сроками и стоимостью проекта)
Интеграция систем управления
ИАСУ информационными процессами
Интеграционные решения
(создание потоков работ на основе
календарно-сетевых графиков, управление
потоком работ и документооборотом)
PDM-система
(управление данными об изделии и процессах,
структурой изделия, изменениями, процессом
передачи данных, документов и заданий между
исполнителями и др.)
ГРАФИКИ РАБОТ
ДОКУМЕНТАЦИЯ
Рис. 2.4. Схема задач, решаемых системами информационной поддержки
проектов и процессов
проектными данными; ERP – планирование и управление предприятием (основные функции АСУ П); MRP II – планирование
производства; MES – производственная исполнительная система;
SCM – управление цепочками поставок; CRM – управление взаимоотношениями с заказчиком; SCADA – диспетчерское управление производственным процессом; CNC – компьютерное числовое
управление; S&SM – управление продажами и обслуживанием;
CPC – совместный электронный бизнес.
При решении задач локальной автоматизации производственных систем, модернизации участков производства с целью создания современных гибких автоматизированных участков и линий
используется традиционный набор информационных систем в со40
Проектирование
Подготовка
производства
CAE
SCM
CAD
Производство
и реализация
CAM
ERP
MRP II
Эксплуатация
Утилизация
SCADА
CNC
PDM
MES
CRM
S&SM
CPC
Рис. 2.5. Этапы жизненного цикла промышленных изделий
и системы их автоматизации
ставе: CAE – CAD – CAM – CNC. Для функционирования в такую
автоматизированную производственную систему интегрируются
информационно-управляющие системы MRP, SCADA. В масштабах производственного предприятия все системы, связанные с
проектированием изделий, процессов и подготовкой производства
управляются системой PDM. Функционирование систем оперативного управления, планирования, контроля хода и результатов производства управляется системой ERP. Внешние связи, управление
функциями снабжения производства и сбыта продукции реализуются системами CRM , SCM, S&SM.
В отечественной терминологии эти системы называют АСУП
(автоматизированная система управления производством/предприятием). Функции АСУП, определенные отечественными стандартами, выполняются системами ERP, MRP II, MES, SCM и CRM.
Наиболее развитые системы ERP выполняют различные бизнесфункции, связанные с планированием производства, закупками,
сбытом продукции, анализом маркетинговых данных, управлением финансами, персоналом, складским хозяйством, учетом основных фондов и т. д. Системы MRP II ориентированы главным
образом на те бизнес-функции, которые непосредственно связаны
с производством, а системы MES – на решение оперативных задач
управления проектированием, производством и маркетингом.
На этапе реализации продукции функции управления отношениями с заказчиками и покупателями выполняет система CRM . На
нее также возлагаются стратегические задачи анализа рыночной
41
Проектирование
изделия
Производство
MRP/MRP-II/ERP
изделия
Эксплуатация
SCM/MES/CRM/ИЭТР
изделия
CAD/CAM/CAE
CRM
ЖЦ
Предпроектные Проектирование Производство Поставка Эксплуатация
исследования
Рис. 2.6. Функции систем на стадиях ЖЦ изделия
ситуации и перспектив спроса на планируемые к производству изделия. Методы, реализованные в рассмотренных автоматизированных системах, используются в качестве технологий представления
в электронном виде данных об изделии, относящихся к отдельным
процессам ЖЦ (рис. 2.6).
2.6. Задачи и содержание предпроектных исследований
Целью проектирования производственной системы является
создание системы, обладающей высокими показателями качества
функционирования и обеспечивающей требуемое качество объектов производства.
Важнейшим этапом проектирования является проведение анализа действующего производства (при запуске нового изделия или
перевооружении производства) или аналогичного производства
(при создании нового производства). Цель анализа – необходимость получения данных для разработки проекта производственной системы, т. е. создание базы данных (БД) и информационного
сопровождения процесса проектирования.
Процесс анализа состоит из четырех задач:
– обследование изделий – объектов производства (результат –
создание информационных массивов объектов);
– обследование технологических процессов (результат – создание БД типовых ТП);
– обследование оборудования (результат – создание БД необходимого оборудования);
– обследование организационной структуры производства (результат – создание библиотеки моделирующих программ).
42
43
Обследование
оборудования
Обследование
организационной
структуры
Определение информационных каналов производственной системы
Рис. 2.7. Схема задач, решаемых при анализе производственного процесса
(предпроектные исследования)
Разработка технологического обеспечения производственного процесса
Разработка (или корректировка) структуры производственного процесса
Формирование вариантов технологической оснастки и средств автоматизации
Определение типов
и количества транспортных
средств
Разработка
технологических схем
процессов обслуживания
Расчет объема складских
запасов и межоперационных заделов
Определение перечня
оборудования
Определение автоматизируемых функций
Расчет точностных и
временных параметров
обслуживания
Установление
критериев оценки
контролиОпределение
Определение Определение Определение
руемых параметров
технологических требований требований
производственного
схем процесса
к складам к транспорту
процесса
Обследование
технологических
процессов
Классификация
и группирование
объектов
производства
Определение перечня
унифицированной и
специальной оснастки
Определение
номенклатуры
изделий
Обследование изделий –
объектов
производства
Обследование и анализ
производственного процесса
В зависимости от масштаба цели проектирования, анализу может подвергаться:
– весь производственный процесс предприятия;
– часть производственного процесса, связанная с технологическими процессами изготовления конкретного изделия;
– отдельные этапы производственного процесса (совокупности
ТП получения заготовок, изготовления деталей, сборки, регулировки, контроля, испытаний);
– отдельные операции ТП.
Анализ проводится с целью выявления особенностей изготовления конкретного изделия на данном предприятии, неиспользуемых резервов и узких мест, определения необходимости и целесообразности автоматизации операций, внедрения новых прогрессивных технологий, нового оборудования, разработки рекомендаций и
планов по повышению рентабельности производства и др.
Схема задач, решаемых при анализе производственного процесса, дана на рис. 2.7.
2.7. Обследование производства при автоматизации
Постановка задач обследования производства
Цель – выявление объектов автоматизации, их группирование,
формирование технических требований (ТТ) на автоматизацию.
Направления обследования (задачи и объекты обследования):
изделия; ТП; оборудование, организационное построение.
Общий результат:
– выявление принципиальной возможности автоматизации;
– предварительный выбор направления автоматизации;
– формирование технических требований для корректировки
ТЗ на перевооружение производства и корректировку конструкторской документации на изделия – объекты производства и технологической документации на имеющиеся и разрабатываемые ТП;
– создание перечней массивов (И, ТП, ТО) для автоматизированного проектирования и моделирования;
– корректировка проекта структуры проектируемой ИПС;
– формирование проекта общей инфраструктуры разрабатываемой ИПС;
– формирование обобщенной структуры системы управления;
– разработка ТТ на выбор ТО.
44
На нижнем уровне решаемых задач автоматизации результаты
обследования нацелены на разработку автоматизированного технологического комплекса (АТК).
Сложность процессов анализа при обследовании изделий, ТП и
оборудования состоит в сильной взаимосвязи и взаимозависимости
этих трех элементов производственной системы. Отсюда – большое
количество итераций процесса принятия технологических решений при проведении каждого анализа. Технологические решения
в данном случае – это основа для разработки технического задания на проектирование производственной системы определенного
вида, масштаба, формы.
Формализованное представление процедур анализа и принятия
технологических решений выглядит следующим образом.
Пусть dj ∈ D  – множество изделий – объектов данного производства (запущенных и планируемых к запуску); dj ∈ Dηl + Dξ  – мно-
жество изделий после проведения группирования, где Dηl  – число
изделий, сгруппированных в классифицированные группы; Dξ  –
множество деталей, группирование которых признано нецелесооη 1,...,β  – число установленных классификационных
бразным;=
ξ 1,..., ζ  – число наименований не сгруппированных издегрупп;=
лий; ϑα ∈ V  – множество технологических операций (или частных
α 1,..., γ  – число разновидностей
технологических процессов), где=
операций (частных технологических процессов); qi ∈ Q  – множество элементов технологической системы (или множество единиц
=
i 1,..., ν  – число разновиднотехнологического оборудования), где
стей специализаций оборудования.
Требуется спроектировать технологическую систему, реализующую все множество V технологических операций для обеспечения
изготовления всей номенклатуры D изделий на выбранном множестве элементов технологической системы (множестве оборудования) Q при выполнении условия k(qi ) → max(Kç , Kèñï ), где Kз,
Kисп – коэффициенты загрузки и использования оборудования соответственно.
Технологические решения принимаются с использованием матриц «объекты – операции» { Dη′ } × {ν γ }, «объекты – оборудование»
{ Dη′ } × {qi }, «операции – оборудование» {ν γ } × {qi }. Результатами решений является матрица, составленная из троек ({ Dη′ },{ν γ },{qi }), использующаяся для выполнения процессов оптимизации и решаемая известными математическими методами в зависимости от размерности матрицы.
45
Обследование изделий – объектов изготовления
в производственной системе
При обследовании изделий – объектов производства выполняется следующее:
1) подробный конструктивно-технологический анализ изделия – объекта производства (или всей номенклатуры изделий);
2) предварительное группирование изделий по главным классификационным признакам и определение принципиальной возможности изготовления изделия в действующем производстве;
3) классификация и группирование изделия (множества изделий) по совокупности всех определяющих признаков (форма, размеры определяющих поверхностей, масса, точностные характеристики, технические требования на обработку отдельных поверхностей и др.);
4) анализ возможных вариантов построения технологических
схем изготовления изделия;
5) анализ целесообразности автоматизации элементов технологических схем (или всего ТП в целом);
6) обеспечение технологичности выполнения автоматизируемых операций (выбор поверхностей для ориентирования, захватывания, накопления и др.);
7) формирование требований к технологическому оснащению
операций.
Схема анализа, поясняющая составляющие проводимого при
обследовании изделий процесса, приведена на рис. 2.8.
Формализованные выражения, характеризующие перечисленные технологические решения, выглядят следующим образом.
Пусть Xq – совокупность изделий, отнесенных к группе с индексом q; {xij } – множество изделий x, назначенных на выполнение
операции j с применением i-го комплекта технологической оснастки. Тогда {xij
p
∈ Xq , где p ∈ q.
В результате выполнения работ, предусмотренных пунктами
4–7,
для
рассматриваемой
операции
получим
{xij } ⊆ [{x1j , x2j ,..., xgj },{xkj , xkj +1,..., xnj }] ( ⊆  – знак включения), что означает реальную ситуацию, при которой часть деталей {x1,..., xg }
исходного множества xij возможно (целесообразно) обрабатывать
на данном оборудовании с применением переналаживаемой (сменной) оснастки, в то время как часть деталей {xkj ,..., xnj } требует при46
47
Масса
Габаритные
размеры
Время
переналадки
Рис. 2.8. Схема исследования номенклатуры изделий предприятия
Выбор изделий для изготовления в АТК
Число запусков
Ориентация
детали
Штучное
время
Исследование
выполняемых
операций
Ручное
время
Наличие в технологическом процессе операций,
автоматизация которых
нецелесообразна
Машинное
время
Анализ производственной программы
Прочность
Частота запуска
Форма
Инструмент Оснастка
Размер партии
Детали
Заготовки
Анализ изделий – объектов
автоматизированного
изготовления
АНАЛИЗ НОМЕНКЛАТУРЫ ИЗДЕЛИЙ
менения другого оборудования в связи с невозможностью или нецелесообразностью изготовления на данном оборудовании.
Группирование изделий при мелкосерийном и единичном характерах производства выполняется с целью увеличения серийности и определения номенклатуры изделий, изготовление которых
экономически оправдано на данном оборудовании с применением
определенного комплекта технологической оснастки и с минимальными затратами времени на переналадку при переходе к изготовлению другого изделия данной группы. В группу объединяются
изделия, обладающие так называемым конструктивно-технологическим подобием.
Существует несколько специальных методов определения оптимальных групп или партий изделий. Отличаются методы используемыми критериями оптимизации, например, такими как: минимум средних затрат времени на изготовление; минимум затрат на
хранение («пролеживание») изделий; минимум совокупных затрат
на производство и хранение; отношения между временными затратами на подготовку изготовления и непосредственно изготовление
партии изделий и др.
Обследование технологических процессов,
реализуемых в производственной системе
Данное обследование выполняется с целью обеспечения технологической гибкости, максимальной типизации, возможности использования одного процесса для изготовления как можно большего числа групп изделий из имеющейся номенклатуры.
Существует два направления достижения этой цели. Первое заключается в выявлении возможности изготовления каждого конкретного изделия из некоторой совокупности классификационных
групп изделий по определенным (базовым, «классическим») типовым ТП. Если изделие не может, по каким-либо причинам, быть
изготовлено по типовой технологии, а требует в каких-то ее элементах применения специфических операций, его исключают из
группы и дальнейшее проектирование ведется индивидуально для
единичного ТП. Второе направление реализует обратную задачу:
для каждого изделия предварительно формируется принципиальная технологическая схема изготовления, состоящая из отдельных
законченных элементов (операций) частных ТП.
При больших и средних размерах партий изделий, подлежащих
изготовлению, предпочтительно первое направление, при мелких
48
сериях и в единичном производстве целесообразно использование
второго направления, которое в силу большой вариативности, а
следовательно, и трудоемкости, требует применения вычислительной техники. Укрупненная схема реализации второго направления
разработки ТП (производственная типизация на базе частных ТП)
изображена на рис. 2.9.
Исходные данные по изделию xi
Формирование множества
технологических решений
Формирование технологических
схем процессов для каждого i-го
изделия
БАЗА
ДАННЫХ
Формирование массивов частных
процессов j∈J
Формирование последовательностей
*
частных процессов { ji }
Техникоэкономический
анализ
и оптимизация
технологических
решений
Разработка операционной
технологии выполнения частных
процессов
Определение маршрутов
*
выполнения { ji } и оптимальных
последовательностей запуска
Корректировка технологичности
конструкции изделия
Вывод технологической
информации, документации,
программ изготовления
Рис. 2.9. Схема последовательности разработки
процесса изготовления изделий на базе частных ТП
49
Рассмотренные направления определяют содержание задач обследования ТП. При использовании первого направления технологическая схема, составленная для определенной группы изделий,
сравнивается с маршрутом освоенного типового ТП. Следовательно, при обследовании выполняется анализ конструкции изделия,
группирование, составление технологической схемы, обеспечение
технологичности конструкции под условия типового ТП и комплекта технологической оснастки.
При втором направлении последовательность обследования
иная. Выполняется составление технологической схемы изготовления для каждой конструкции из определенной группы, полученные технологические схемы группируются по технологической
общности, проводится отработка технологичности конструкции
под условия ТП, образованного из частных ТП.
Обследование оборудования
производственной системы
Эта задача обследования заключается в формировании данных
по каждой единице имеющегося (или необходимого) оборудования. Данные включают в себя: возможные виды выполняемых
операций; минимальные и максимальные определяющие размеры
обрабатываемых изделий; точностные характеристики; режимы
обработки; инструментальное обеспечение; временные затраты на
переналадку и др. Элементы анализа основного технологического
оборудования (ОТО) и вспомогательного технологического оснащения (ВТО) показаны на рис. 2.10. Данные, сведенные в форму
карт или машинных массивов по каждой единице ОТО, дополняются при обследовании изделий и ТП. Дополнения заключаются
в закреплении за оборудованием конкретного изделия (группы
изделий) с указанием его кода, вида операций, временных затрат
на обработку на данном оборудовании, размеров партий и др. По
каждому оборудованию определяется среднее время восстановления (Tв) по характерным видам отказов, поломок и временные затраты на переналадку для изготовления каждого из закрепленных
видов изделий.
На последующих этапах определяется общая номенклатура
ВТО, необходимого для изготовления всей номенклатуры и количества закрепленных изделий, оптимальная последовательность
запуска партий (по критерию минимального суммарного времени
переналадки) и загрузка данного оборудования (рис. 2.11).
50
51
Выбор модели ОТО
и комплекта ВТО
Выбор совокупности
оборудования для АТК
Уровень автоматизации
утилизации отходов
Время переналадки
Номенклатура
обрабатываемых деталей
Анализ технологических
показателей
Стоимость
Стоимость
переналадки
Стоимость
переналадки
Время
переналадки
Емкость
Надежность
Конструктивное
исполнение
Затраты на
модернизацию
Стоимость станков
Компоновка
производственной
зоны
Производительность
Состав
комплекта
Анализ вспомогательного
технологического оборудования
Анализ экономических
показателей
Рассматриваемая совокупность
технологических операций
Рис. 2.10. Составляющие анализа технологического оборудования
Особые требования
Распространенность и
перспективность модели
Вид и размеры рабочей
зоны
Размерные параметры
Надежность
Уровень автоматизации
цикла работы станка
Анализ конструктивных
характеристик
Анализ основного технологического
оборудования
Анализ Qi моделей технологического оборудования
Коэффициент загрузки Kз определяется выражениями:
i
Kç =
tô − tî.ï
tô
∑ tøò
,
или Kç = n =1
8,2
где tф – заданное время функционирования; tо.п – организационные потери; tшт – штучное время изготовления одного изделия;
j – количество видов изделий, закрепленных за данной единицей
оборудования.
Если Kз < 1, то данное оборудование недогружено и за ним можно закреплять изделия на изготовление; Kз ≈ 1 соответствует максимальной загрузке оборудования; Kз > 1 недопустимо.
Области экономически эффективного
использования оборудования
Необходимость экономической оценки целесообразности применения того или иного типа (модели) технологического оборудования возникает в тех случаях, когда какое-либо изделие может изготавливаться с помощью нескольких взаимозаменяемых средств
или методов. При этом взаимозаменяемые средства или методы,
обеспечивая качественно одинаковые конечные результаты, могут
обладать разной производительностью, мощностью приводов, стоимостью, различными производственными условиями эксплуатации и т. п. Современный уровень развития производства технологического обеспечения операций изготовления изделий, как правило, по любой операции предполагает использование нескольких
взаимозаменяемых типов (моделей) оборудования. Таким образом,
существует проблема выбора технологического оборудования, которую в общем виде можно сформулировать следующим образом:
предпочтение в использовании той или иной модели из ряда взаимозаменяемого технологического оборудования должно быть отдано той из них, применение которой обеспечивает получение изделий с заданными параметрами качества при наименьших (по
сравнению с другими моделями ряда) затратах.
Взаимосвязанность и взаимозависимость данной проблемы с
другими проблемами создания ИПС обуславливает ее решение на
нескольких этапах проектирования производственной системы.
На первом этапе (предпроектные исследования и анализ) строятся
ряды взаимозаменяемого оборудования для изготовления технологически однородных (однотипных) групп изделий по типовым опе52
рациям технологических процессов. В качестве исходных данных
для выбора оборудования по одному из критериев на рис. 2.10 приведены области рационального применения видов технологического оборудования в зависимости от серийности производства. На рисунке ОТО – основное технологическое оборудование, ВТО – вспомогательное технологическое оснащение, включающее и средства
автоматизации.
Следующая задача – определение области экономически эффективного использования оборудования, включенного в ряды и разработка карт выбора оборудования. На этапе синтеза структуры
ИПС решаются задачи определения состава технологического оборудования (или комплектов), проектирования необходимого оборудования, создание на его основе автоматизированных комплексов
и линий, выполнение расчетов технико-экономических характеристик оборудования в конкретных производственных условиях.
Необходимо учитывать, что экономической оценке предшествует детальный анализ технических характеристик взаимозаменяемого оборудования, рассматриваемого как альтернативное.
Наиболее важные технические характеристики – точностные, временные, размерные (габаритные, рабочей зоны, производственной
площади), инструментальные (виды и количество инструментов и
инструментальных наладок), параметры совместимости и сопряжения с устройствами управления, контроля, транспортирования,
загрузки-разгрузки и др.
Только после выбора оборудования по техническим характеристикам целесообразно, если остались альтернативные варианты,
проводить экономическую их оценку.
Для сравнительной оценки экономической эффективности оборудования используются показатели минимума годовых приведенных затрат П и удельных дополненных приведенных затрат Пд,
определяемые по известным формулам:
П = Сi + ЕнКi → min,
(2.1)
где Сi – текущие затраты по i-му варианту; Кi – капитальные вложения по этому же варианту; Ен – нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений.
óä
óä
Ïä =
Ñ +Ñæ.ò
R + Åí (Ê +Êæ.ò
R), (2.2)
где С – себестоимость изготовления изделия с применением того или
иного варианта оборудования; К – капитальные вложения в производственные фонды, необходимые для изготовления изделия с при-
53
54
Малый
50
200
800
1500
Большой
1
2
3– 4
8–10
Номенклатура
Большая изделий, шт.
Роторные
комплексы
меньше
и линии.
КА> 0,9 Специальные автоматические линии и специальное агрегатное
оборудование. Агрегатное переналаживаемое оборуКА ≥ 0,9
дование с цикловой
больше
автоматикой.
Переналаживаемые
КА ≥ 0,9
автоматические линии, обрабатывающие и сборочные
центры.
Гибкие автоматизиКА< 0,9
рованные технологические комплексы.
КА > 0,5
Гибкие автоматизированные технологические модули.
КА > 0,5 Универсальное
оборудование с ЧПУ.
Автоматическое
выполнение основной
операции.КА≤0,5
ГИБКОСТЬ
Рис. 2.11. Области рационального применения технологического оборудования
Объем
производства
тыс. шт./год
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ
менением того или иного варианта оборудования (включая затраты
óä
на охрану окружающей среды и утилизацию отходов); Cæ.ò
 – текущие затраты, связанные с использованием живого труда, не учиóä
тываемые в составе себестоимости изделий; Êæ.ò
 – капитальные
вложения в инфраструктуру потребления, обусловленные использованием живого труда; R – количество рабочих, необходимых для
реализации варианта технологического оборудования.
Расчет по формуле (2.1) целесообразен для выбора оборудования со
значительной долей ручного труда. Для условий автоматизированного производства рекомендуется использование выражения (2.2).
Наряду с проведением расчета затрат по тому или иному варианту, для создания более наглядной и достоверной сравнительной
оценки необходимо определить экономические границы, разделяющие области экономически эффективного использования оборудования. Область экономически эффективного использования технологического оборудования представляет собой интервал изменения объема производства продукции, ограниченный минимальными и максимальными его значениями, в котором применение
данного способа или средства обеспечивает по сравнению с другими
способами или средствами относительно меньшие затраты.
График изменения удельных дополненных приведенных затрат
Пд в зависимости от изменения годового объема производства продукции Q приведен на рис. 2.12.
На графике: кривые, характеризующие функцию f(Пд, Q) при
использовании оборудования моделей М1 и М2; Qmin, Qmax, Qкрит –
минимальный, максимальный и критический объемы производПд
Qmin
Qкрит
Qmax
Q
Рис. 2.12. Области экономически эффективного использования
технологического оборудования
55
ства соответственно. Точка пересечения кривых Qкрит соответствует
критическому объему производства (при котором ПдМ1 = ПдМ2 ) и
выделяет две области экономически эффективного использования
средств: первая область – область эффективного использования оборудования М1 – представляет собой интервал [Qmin, Qкрит]; вторая
область – область эффективного использования оборудования М2 –
представлена интервалом [Qкрит, Qmax]. Применение в первой области средства М1 так же, как и применение во второй области средства М2, обеспечивает относительно меньшую величину дополненных приведенных затрат, приходящихся на единицу продукции.
Определение состава оборудования новых
и реконструируемых предприятий
Оснащение проектируемого (реконструируемого) предприятия
или части его технологическим оборудованием является весьма
существенным фактором перспективного развития производства.
Как правило, проектант подбирает состав оборудования для проектируемого предприятия, руководствуясь различными каталогами, перечнями рекомендуемых для данной технологии агрегатов,
установок, контрольно-измерительной аппаратуры, нормами технологического проектирования и другой нормативно-технической
документацией.
Наличие карт экономически эффективных областей использования оборудования позволяет выбирать наиболее подходящее для
заданных условий производства оборудование без дополнительных
расчетов экономической эффективности. В общем виде карта выбора оборудования представляет собой систематизированное изложение типового маршрутного ТП, разработанного применительно
к изготовлению определенной технологически однородной группы
изделий.
По каждой типовой операции ТП в карте приводится ряд взаимозаменяемого технологического оборудования, применяемого для
выполнения этой операции, с указанием областей экономически
эффективного использования каждой модели ряда, часовой производительности данной модели, а также величины удельных приведенных затрат, связанных с применением оборудования на границах областей его экономически эффективного использования.
В карте дается краткая характеристика технологически однородной группы изделий, для которых она предназначена, а также
единица измерения объемов производства этих изделий.
56
В зависимости от степени универсализации конкретного вида
оборудования, оно может использоваться в разных ТП изготовления технологически однородных групп изделий. Кроме того, в едином технологическом комплексе могут одновременно применяться
разные модели оборудования, различающиеся производительностью, стоимостью, величиной эксплуатационных расходов и т. п.
Вследствие этого их совместное использование по-разному влияет
на суммарную величину дополненных приведенных затрат, приходящихся на единицу продукции. На уровень затрат оказывают
также влияние формы и методы организации производства.
Таким образом, возникает необходимость в оптимизации комплекта технологического оборудования. Для этого опять же целесообразно использовать карты экономически эффективного
использования оборудования. Если на предварительном этапе в
состав комплекта вошли модели как специального и специализированного оборудования, так и универсального, то образование оптимального (экономически целесообразного) комплекта из такого
оборудования осуществляется на основе дополнительно разрабатываемых карт выбора универсального оборудования. Для разработки таких карт выбирается типовой объект производства и для
выбора области экономически эффективного использования оборудования при изготовлении конкретных изделий, отличающихся от
типового (или нескольких типовых) объекта производства предварительно приводят эти изделия к типовому с помощью коэффициентов приведения. Коэффициенты приведения рассчитывают как
отношение производительности той или иной модели оборудования
при изготовлении конкретного объекта производства ωк к производительности этого же оборудования при изготовлении типового
объекта производства ωт, т. е. Kпр = ωк / ωт, где Kпр – коэффициент
приведения. Коэффициент приведения применяют для получения
приведенного объема производства конкретного изделия Qпр и с
этой целью фактический объем производства этого изделия Qф делят на коэффициент приведения, т. е. Qпр = Qф / Kпр.
Применение карт выбора универсального оборудования осуществляется на основе приведенных объемов производства в следующем порядке:
– анализируя программу выпуска конкретных изделий, определяют номенклатуру изделий, подлежащих совместному изготовлению на данной типовой технологической операции;
– по каждому объекту производства определяют приведенный
объем производства;
57
– суммируют приведенные объемы производства для совместного изготовления по данной технологической операции;
– по суммарному приведенному объему производства выбирают
по карте модели оборудования обычным методом, применяемым
для карт выбора специального оборудования.
Обследование организационной структуры производства
Решение данной задачи заключается в определении параметров,
характеристик и изменений, которые могут возникнуть в производственной системе в результате запуска новых изделий. Параметры и
характеристики организационной структуры составляют плановоорганизационную информацию, характеризующую производство
и его эффективность (коэффициент сменности, пропускная способность участков и линий, формы специализации производственных
подразделений, характеристики потоков, ритмичность, параметры
системы планирования, характеристики «узких» мест и др.).
2.8. Формирование технического задания на проектирование
технологической системы по результатам обследований
Использование результатов обследования изделий –
объектов производства при формировании
технического задания
По результатам обследования изделий – объектов производства
имеем следующее описание всей номенклатуры изделий:
( {x } )
j
i
{ } {
}{
}
∈ X; xij ⊆  x1j , x2j ,..., xgj , xkj , xkj +1,..., xnj , 


p
где Х – совокупность определяющих признаков изделия, подлежащего изготовлению на операции j-го вида, закрепленных за i-й
группой оборудования (с индексами 1…g); p – совокупность всех
операций, назначенных для изготовления изделия группы xij ;
{x1,..., xg }  – множество А деталей, которые могут быть изготовлены на имеющемся оборудовании без переналадки или с переналадкой оснастки; {xkj ,..., xnj }  – множество Б, состоящее из групп
деталей, для изготовления которых требуется другое оборудование
(с индексами k…n) для j-й операции.
Возможны группы, в которых требуется изменение конструкции детали для обеспечения принадлежности к множеству А.
58
Выполняем перегруппирование множества А с формированием
параметров (кодов) характеристических признаков (партионное
деление):
– форма (специфические особенности формы);
– поверхности базирования (коды, качественные характеристики);
– размеры определяющих поверхностей (поверхностей базирования, захвата, под зажим и др.);
– масса (диапазон значений);
– вид предыдущих обработок (наследуемые учитываемые признаки);
– квалитеты;
– признаки ориентирования.
Признаки групп:
– способы размещения в накопителях;
– способы транспортирования;
– способы хранения, организация идентификации объектов
(при хранении, поиске, адресовании);
– размер партии.
Итак, имеем группы партий изделий, имеющих конструктивнотехнологическую общность (подобие) в каждой группе, т. е. массивы
признаков для каждой группы; единство (схожесть) технологического маршрута; использование однотипного и взаимозаменяемого оборудования; признаки унифицированной технологической оснастки.
Одним из результатов обследования изделий (с привлечением
результатов обследования ТП) может быть установление требований к промышленному роботу, выбираемому в качестве средства
автоматизации определенных операций в проектируемой ТС:
1) точность (погрешность) позиционирования;
2) грузоподъемность;
3) конструктивное исполнение;
4) число манипуляторов;
5) число степеней подвижности;
6) тип привода;
7) тип системы управления.
Использование результатов обследования
технологических процессов при формировании
технического задания
Имеем множество I технологических процессов, реализуемых и
k
подлежащих освоению в обследованном производстве: {im
} ∈ I, где
k
{im }  – множество операций процессов, подлежащих автоматиза59
ции; m – индекс(ы) процесса(ов), в которые входит данная операция; k – индекс типа (вида) операции.
Выполняется декомпозиция каждой операции на действия для постановки в соответствие каждому действию определенного комплекта
технологического оснащения. Возможны варианты декомпозиции:
– по типам;
– по степени автоматизации;
– по степени концентрации (партионности).
Обобщенное выражение, описывающее результаты:
k
d1
d2
dβ
{im
} ⊂ [νm
]  [νm
...  [νm
]. (2.3)
Выражение (2.3) означает, что каждая i-я операция k-типа, относящаяся к m-му ТП, разбита на несколько действий, за каждым
из которых закреплены комплекты технологического оснащения.
dβ
Следующие шаги синтеза связаны уже с νm
, т. е. с действиями,
которые декомпозируются на элементарные движения для выбора
элементов оснастки (устройств, инструментов, накопителей и др.)
и составления программы работы.
На заключительном этапе действия агрегируются в новые, автоматизированные операции.
Использование результатов обследования оборудования
при формировании технического задания
В результате обследования и анализа оборудования имеем:
{dj } ∈ D  – множество объектов, отобранных для изготовления в
АТК; {dη1 } ∈ {dj }  – множество объектов, классифицированных в
группы, где η= 1,β  – число классифицированных групп; {ϑα } ∈ V  –
множество технологических операций в обобщенном ТП V, где
α= 1, γ  – число разновидностей операций; {qν } ∈ Qi  – множество
элементов ТС (станков, агрегатов), необходимых для выполнения
α операций, ν =1,k  – число разновидностей специализаций элементов ТС (ν  α).
Сформированные данные вносятся в техническое задание на
проектирование технологической системы.
2.9. Анализ надежности технологической системы
и разработка мероприятий по обеспечению надежности
Надежность как качественная характеристика проектируемой
ИПС рассмотрена в подразд. 1.4. В процессе запуска изделия в про60
изводство и его изготовлении решается важная задача технологической отработки надежности конструкции изделия. Существует
определенная специфика решения задач надежности, которая заключается в принципиально разных средах, относительно которых
рассматриваются вопросы надежности изделий. На стадии эксплуатации характеристиками среды являются те внешние условия эксплуатации, влияющие факторы, которые предусмотрены техническими условиями на изделие, на стадии изготовления средой для
изделия является производство и его характеристики, в которых
обеспечивается его надежность. В процессе изготовления обеспечение заданных показателей надежности идет по двум направлениям:
1) отработка показателей качества конструкции (функциональная отработка);
2) параметрическая отработка конструкции.
К первому направлению относятся мероприятия по обеспечению
заданного уровня технических (функциональных) показателей назначения, свойств и показателей надежности, технологичности,
эксплуатационных показателей.
Ко второму направлению относятся мероприятия по решению
следующих задач:
А) обеспечение установленной точности и стабильности;
Б) обеспечение бездефектности ТП;
В) минимизация допустимых уровней остаточных явлений в
элементах конструкции после их изготовления.
Задача А состоит в необходимости определения функциональных зависимостей точности выходных параметров от технологических факторов, определении условий обеспечения стабильности.
Задача Б реализуется на основе разработки причинно-следственных схем, составленных для всех процессов, имеющих потенциальную опасность появления дефекта.
Задача В решается путем выявления механизма технологического наследования для всех деталей конструкции, строгого выполнения всего комплекса операций, включая те, которые устраняют
(ослабляют) уровни остаточных явлений в элементах конструкции
после их изготовления.
В соответствии с системным подходом к анализу и функционированию ИПС, надежность является его свойством и задачи А, Б, В
решаются как задачи технологической системы.
Функциональный отказ ТС проявляется в полном или частичном
прекращении ее функционирования. Примером частичного прекращения функционирования может служить поломка одного из ин61
струментов при обработке деталей на автоматической линии. При
этом может продолжаться выпуск продукции, но без обработки соответствующих поверхностей детали. К функциональным отказам
следует относить и факты превышения сроков запланированных
перерывов в работе, т. е. превышение регламентированного времени смены инструмента, установки заготовки (партии заготовок), заданных перерывов на отдых обслуживающего персонала и т. д.
Параметрический отказ ТС выражается в выходе параметров
функционирования отдельных ее элементов за допустимые пределы. Например: выход значений показателей качества деталей за
поле допуска на обработку; снижение ритма выпуска ниже заданного уровня; нерегламентированное изменение режимов обработки; превышение материальных и трудовых затрат; недопустимое
загрязнение окружающей среды, причиной которого является процесс функционирования рассматриваемой системы и т. д.
Схема анализа надежности технологического процесса, выполняемого в технологической системе сборки, и процесс выбора обеспечивающих надежность операций показана на рис. 2.13.
При выборе методов оценки надежности ТС по параметрам качества изготовляемой продукции различаются четыре вида (уровня
рассмотрения) ТС:
– ТС, реализующая технологическую операцию;
– ТС, реализующая технологический процесс;
– ТС, действующая в пределах отдельного производственного
подразделения (цех, участок и др.);
– ТС предприятия.
Уровень рассмотрения выбирается в зависимости от вида и количества ТС, определенных при решении задач А, Б, В, как среды,
в которых обеспечивается требуемый уровень показателей надежности.
В зависимости от цели и задач оценки надежности ТС по параметрам качества изготовляемой продукции используют следующие
основные исходные данные:
– требуемые или базовые значения показателей надежности ТС;
– структуру и состав ТС;
– вид продукции, продолжительность процесса ее изготовления;
– объем производства;
– характеристики технического уровня и надежности технологического оборудования и оснастки;
– параметры точности заготовок;
– данные о нарушениях технологической дисциплины;
62
Исходные данные:
спецификация конструкции изделия;
выбранные виды соединений;
характеристики состояния технологического оборудования;
справочные данные по надежности
Анализ надежности
комплектующих и материалов
Анализ надежности оборудования по
результатам профилактических работ
Выявление потенциально
ненадежных элементов сборки
по λ-характеристикам
Сбор и анализ статистических данных
о состоянии оборудования в процессе
работы
Анализ надежности по условиям
эксплуатации
и выбор значений нагрузочных
коэффициентов
Определение элементов сборки,
требующих селектирования
Анализ надежности
выбранных сборочных соединений
Выбор и введение в ТП сборки
регулировочных, контрольных и испытательных операций,
подналадки оборудования и др.
Принятие
решений,
обеспечивающих
требуемую
надежность ТП
сборки
Формирование требований
к операционному и приемочному контролю, изменение
периодичности профилактики оборудования
Определение параметров технологического прогона,
введение устройств встроенного контроля оборудования
Рис. 2.13. Схема анализа надежности технологического процесса сборки
и выбора обеспечивающих операций
– предельные значения параметров изготовляемой продукции;
– точностные характеристики используемых методов и средств
контроля;
– результаты предшествующих оценок;
– статистические данные, полученные в процессе внедрения и
эксплуатации ТС;
– данные отдела технического контроля и других служб предприятия о качестве продукции.
63
Общая база данных по изделию
Нормативно-справочный
Долговременный
Актуальный
Материалы
Готовые проекты
(архив)
Технические
требования
Нормали
Типовые узлы
Концептуальное
решение
Стандартные
(покупные)
Типовые детали
Структура и состав
изделия
(конфигурация)
Стандартные
(собственные)
Типовые
конструкторскотехнологические
элементы
Комплектующие
других фирм
Стандартные
расчетные методы
Прочие нормативы
и стандарты
3D-геометрическая
модель, математическая
модель, технические
характеристики,
технология сборки,
Типовые
результаты расчетов
и групповые процессы
и испытаний
Готовые и типовые
модели
Прочие типовые
решения
3D-образы
оригинальных деталей,
результаты проверочных
расчетов, результаты
контроля
3D-образы стандартных
и типовых деталей
собственного
изготовления,
результаты расчетов
и контроля
3D-образы нормальных,
стандартизованных
и покупных элементов,
результаты входного
контроля
Рис. 2.14. Укрупненная структура и состав общей базы данных
по изделию
Надежность собственно ТС как технической системы в основном
оценивается комплексными показателями надежности и эффективности использования – коэффициентом готовности Kг, коэффициентом технического использования Kт.и и др.
64
Как уже было показано в предыдущих разделах, основой для
решения всех задач автоматизации ИПС и ее информационного
обеспечения служит база данных (БД) по изделию, формируемая
при проектировании изделия и дополняемая в процессе подготовки производства и, в частности, при его обследовании. Структура
общей базы данных об изделии содержит три раздела: нормативносправочный, долговременный и актуальный [4, 5] (рис. 2.14).
65
3. СИНТЕЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
И РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
3.1. Сценарии проектирования производственных систем
Необходимость проведения работ по автоматизации производства или его части, выполнение аванпроекта и последующих этапов
может быть вызвана несколькими причинно-следственными событиями, которые назовем сценариями проектирования ИПС.
Сценарий 1 возникает в случае необходимости изготовления нового изделия, имеющего перспективные результаты маркетинговых исследований и требующего изготовления в современных организационно-технологических условиях.
Побудительным мотивом сценария 2 является появление новой
технологии, в значительной степени определяющей потребительское качество выпускаемых на предприятии изделий. Чтобы не отстать от конкурентов необходимо внедрить новую технологию, но
при этом целесообразно и производственный процесс организовать
на современном уровне, т. е. создать ИПС.
В сценарии 3 таким побудительным мотивом является появление на рынке нового технологического оборудования, позволяющего в значительной мере улучшить качественные и экономические
показатели продукции. Внедрение в производство такого нового
оборудования также является причиной, стимулирующей создание новой производственной системы в форме ИПС.
Наконец, возможен и сценарий 4, имеющий комплексные причины необходимости и целесообразности создания ИПС, – это последовательный поэтапный проект, реализуемый как постепенная
модернизация действующего производства по частям, дающая постоянный рост эффективности. Данный сценарий наиболее привлекателен с экономических позиций, так как не требует единовременного вложения огромных средств, но опасный при наличии
большой конкуренции по данной продукции.
Проект ИПС, как любая техническая система, проходит несколько стадий разработки: эскизное проектирование, технический проект, создание рабочей документации. Технический проект
ИПС – это совокупность документов, содержащих окончательные
технические решения, дающие полное представление об устройстве и работе системы в целом и ее составных частей, а также все
необходимые исходные данные для разработки технической документации. В проекте производится разработка расширенного
66
(обобщенного) маршрутного ТП изготовления изделия, уточняется
график загрузки оборудования. На основе компоновочной схемы
ИПС осуществляется разработка плана, уточняющего схемы грузопотоков и расположения технологического и вспомогательного
оборудования с учетом минимальной протяженности транспортных связей и рационального использования площадей и объемов
производственных помещений.
3.2. Определение технологической системы.
Структура, функции и постановка задач проектирования
Основным элементом (ядром) современной интегрированной
производственной системы является интегрированная автоматизированная технологическая система. Упрощенно будем называть –
технологическая система (ТС).
Определение ТС (интегрированной) дадим, используя определение из ГОСТ 27.004-Надежность в технике. Системы технологические [9].
ТС – это определённая во времени и пространстве совокупность функционально взаимосвязанных средств технологического оснащения, исполнителей, средств обеспечения функционирования (в том числе средств автоматизации), средств обеспечения
качества функционирования, обладающих целостной структурой, системными свойствами и предназначенная для целенаправленного преобразования объектов производства.
Если речь идет об операциях контроля, регулировки, испытаний,
на которых преобразования объектов производства не производится,
то для таких систем определение сформулируем следующим образом.
ТС контроля (регулировки, испытаний) – это определённая во
времени и пространстве совокупность функционально взаимосвязанных средств технологического оснащения, исполнителей,
средств обеспечения функционирования (в том числе и средств автоматизации), предназначенная для обеспечения качества изготавливаемых изделий.
Для автоматизированной ТС будем различать функциональную,
информационную, аппаратную и организационную структуры ТС.
Функциональная структура – совокупность функционально
взаимосвязанных элементов ТС, выполняющих действия и осуществляющих взаимосвязи в соответствии с алгоритмом функционирования.
67
Информационная структура – совокупность элементов ТС,
осуществляющих информационное обеспечение процессов управления и контроля по выбранному интерфейсу.
Аппаратная структура – совокупность технических средств,
предназначенных для обеспечения функционирования ТС и взаимодействующих в соответствии программой.
Организационная структура – совокупность элементов ТС, взаимодействие и связи между которыми осуществляются в соответствии с принятым организационно-технологическим принципом
Элементы ТС – основные и вспомогательные средства технологического оснащения и средства автоматизации
Изменения в ТС происходят под действием различных возмущений. Возмущения могут быть внутренние и внешние по отношению
к ТС. Изменения в конструкторской, технологической документации являются тоже возмущениями, приводящими к определенным
изменениям в ТС (условий производства, режимов работы) вплоть
до структурных изменений.
По своей функциональной значимости и месту в производственной системе ТС подразделяются на четыре иерархических уровня:
ТС операций; ТС процессов; ТС производственных подразделений
(участков, цехов); ТС предприятий.
ТС операции обеспечивает выполнение одной заданной технологической операции.
ТС процесса включает в себя в качестве подсистем совокупность
ТС операций, относящихся к технологическому методу (технологическая специализация) или виду изделия (предметная специализация).
ТС производственного подразделения состоит из ТС процессов и
ТС операций, функционирующих в рамках линии, участка, цеха.
ТС предприятия состоит из совокупности ТС его производственных подразделений.
Классификация ТС приведена на рис. 3.1.
В соответствии с определением, элементами структуры ТС будут:
– технологическое оборудование (ОТО);
– элементы ВТО: единицы оснастки, входные и выходные
устройства, устройства упорядочения технологической зоны (накопительные средства, средства очувствления, ориентирования),
подающие устройства, средства замены и смены оснастки и др.;
– устройства управления;
– интерфейс, коммуникационные связи, регулирующие, дозирующие, распределяющие и другие средства ресурсного обеспечения;
– средства обеспечения безопасности;
68
Классификационный
признак:
по уровню
ТС
функциональных
операций
задач в производственной системе
ВИДЫ ТС
ТС
ТС
ТС
процессов производственного производства
подразделения
Последовательная
ТС
по схемам
построения
Параллельная
ТС
ТС с жесткой связью
подсистем
по уровню
автоматизации
по уровню
специализации
Комбинированная
ТС
ТС с нежесткой связью
подсистем
Механизированная Автоматизированная
ТС
ТС
Специальная
ТС
Специализированная
ТС
Автоматическая
ТС
Универсальная ТС
Рис. 3.1. Классификация технологических систем
– средства контроля, диагностирования, блокировки, защиты
и  др.
Каждый элемент структуры выполняет одну или несколько
функций (если имеет место объединение нескольких элементов в
одном устройстве).
В качестве постановки задач проектирования ТС имеем три
классические формулировки:
– на основе анализа целей и задач проектируемой системы сформировать общий перечень функций, подлежащих выполнению и
составить из него перечень функций, автоматизация которых целесообразна;
– на основе анализа эффективности автоматизации по каждой
функции выполнить окончательный выбор перечня автоматизируемых функций с определением уровня автоматизации;
– на основе решения задач синтеза и оптимизации поставить
каждой выбранной для автоматизации функции элементы технической реализации и выбрать оптимальный вариант.
3.3. Синтез технологической системы
На практике имеют место два основных варианта методов решения задачи проектирования ТС как технической системы. Первый
метод базируется на построении ТС из типовых структурных эле69
ментов, каждый из которых выполняет одну или несколько функций из заданного множества. Второй метод основан на проведении
процедур синтеза, в тех случаях, когда типовые структурные элементы отсутствуют или не удовлетворяют требованиям проектирования.
Формализованное представление процедур анализа и принятия
технологических решений при проектировании ТС рассмотрено в
подразд. 2.7. По результатам анализа технологические решения
принимаются с использованием матриц «объекты – операции»
{ Dη′ } × {ν γ }, «объекты – оборудование» { Dη′ } × {qi }, «операции – оборудование» {ν γ } × {qi }. Результатом решений является матрица, составленная из троек ({ Dη′ },{ν γ },{qi }), использующаяся для выполнения процессов оптимизации и решаемая известными математическими методами в зависимости от размерности матрицы.
Это задача относится к задачам синтеза, так как имеет место
формулировка цели, явно предполагаются варианты решения и
имеются критерии оценки.
Как известно, синтез может быть генерационный, когда имеется
база данных и процедура (программа) генерации. Это автоматизированное решение задачи назначения каждой автоматизируемой
функции реализующего функционального элемента. Принципы
построения такой интеллектуальной системы рассмотрим позже.
Другие методы синтеза основаны на эвристических процедурах
или аналитических методах. Построение аналитических зависимостей для синтеза автоматизированных технологических систем
весьма сложная задача, поэтому в основном используются эвристические процедуры, основанные на сравнительной оценке сформированных различными способами вариантов.
Рассмотрим задачу синтеза в такой постановке.
Определить совокупность технических средств (варианта технической реализации ТС), удовлетворяющих выполнению выбранных функций с максимальным значением критерия эффективности (критерия качества функционирования). Схема, поясняющая
процедуру синтеза ТС, приведена на рис. 3.2.
Оценивание вариантов ТС может проводиться:
– по показателям (критериям) качества изделий и качества
функционирования системы;
– преимущественно по технико-экономическим показателям
системы.
Например, комплексный показатель сравнительной оценки,
ориентированный в основном на выходное качество изделий, изго70
Объекты-изделия
d1
Группы
d2
…
dk
…
dn
η
...
ηj
...
ηn
1
1
Операции
1
Трудоемкость
Коэффициент
пропускной способности
оборудования
...
ν
...
ν
∑ Òøò
∑ Òøò
Θ1
Θν
k п.с ( qi) 1
k п.с ( qi)
К
Ê
∑ Òøò
ΘÊ
ν
k п.с ( qi) k
Рис. 3.2. Схема процедуры синтеза ТС
товленных в ТС (технико-экономическая оценка), можно выразить
следующим образом:
Xn = Ψ [QXn (t), Ï Xn (t), CXn (t), Hç (t)],
где Xn – комплексный показатель выходного качества изделий;
QXn (t)  – средний уровень качества изделий за период t, Ï Xn (t)  –
показатель производительности выпуска качественных изделий,
CXn (t)  – среднее значение технологической себестоимости, Hç (t)  –
потери от дефектности, незавершенное производство и др.
Эффективность функционирования ТС можно оценить на основе функциональной зависимости от качества изделий и качества
функционирования ТС:
=
Ý min(max)ϕ[Ênè (t), Êô.ñ (t), R (t)],
где Ênè (t)  – показатель качества партии из n изделий за время t,
Êô.ñ (t)  – показатель эффективности функционирования ТС за этот
же период, R (t)  – расходы, затраты, потери.
Можно эффективность функционирования ТС выразить через
загрузку оборудования, надежность его работы, затраты человекочасов на обеспечение функционирования и др.
71
Современная трактовка задач синтеза предусматривает поиск
решения и оценивания качества проектирования производственных или технологических систем и качества их функционирования
в такой постановке:
F=
ψ(Êïð ) =
ψ[J(x), N (x)],
где Кпр – качество проектирования; N(x) – критерий сложности реализации (по шкале сложности); J(x) – критерий качества, оцениваемый комплексным показателем Λ.
Λ
= (R, Σtï ,tï / tí ),
где R – число переналадок, предполагаемых в технологической системе при рассмотренной номенклатуре; ∑tп – суммарное время, затрачиваемое на переналадку для рассмотренной номенклатуры; tп /
tн – отношение среднего времени, затрачиваемого на одну переналадку к установленному нормативному времени на одну переналадку.
3.4. Выбор организационно-технологической формы
технологической системы
При решении задач организационно-технологического проектирования ИПС осуществляется выбор организационной структуры
системы, способной реализовать сформированное множество ТП.
Выбор организационной структуры выполняется на основе анализа типовых структур, а при отсутствии необходимой производится
разработка рациональной структуры. Основными задачами выбора
или проектирования организационной структуры являются:
– выбор принципов организации производственного процесса;
– определение количества и специализации участков ИПС;
– определение состава вспомогательных подсистем и др.
Схема выбора организационно-технологической формы проектируемой ИПС приведена на рис. 3.3.
Исходными данными при выборе (проектировании) организационной структуры являются: возможные последовательности
основных и вспомогательных процессов (операций) изготовления
изделия; номенклатура технологического оборудования, складов
(позиций накопления); возможные варианты организации основных рабочих позиций; ограничения на величину и конфигурацию
производственной площади и др.
72
Принципы организационно-технологической реализации структуры
производственной системы:
– предметная специализация;
– технологическая общность;
– относительная автономность функционирования;
– логическая последовательность структуры;
– концентрация операций;
– модульность построения
Проект организационной структуры ИПС
Закрепление за организационной структурой совокупности
технологических маршрутов изготовления всей номенклатуры изделий
Концентрация операций
Определение требуемого парка оборудования
Формирование технологических линий и комплексов
Формирование организационно-технологической структуры ИПС
и определение:
– схемы расположения основного и вспомогательного оборудования;
– состава и количества средств технологического оснащения на
основных и вспомогательных операциях;
– взаимосвязей между единицами оборудования (основного и вспомогательного) и технологическими модулями в пространстве;
– направлений движения изделий в ходе их изготовления;
– размера производственной площади
Расчет рабочих характеристик элементов
организационно-технологической структуры ИПС:
– такта (ритма) выпуска;
– числа рабочих позиций i-го технологического модуля (линии);
– общего числа рабочих позиций;
– коэффициента загрузки j-го оборудования (модуля);
– параметров производственной площади;
– коэффициента использования производственной площади;
– типов и количества транспортных устройств;
– системы адресования;
– величины заделов (технологических, транспортных и др.);
– параметров складов;
– параметров стандарт-плана работы ИПС
Рис. 3.3. Схема выбора
организационно-технологической структуры ИПС
73
В основу организационно-технологической реализации структуры производственной системы положены следующие принципы:
– предметной специализации;
– технологической общности;
– относительной автономности функционирования;
– логической последовательности;
– концентрации;
– модульности построения.
После закрепления за проектом организационной структуры
ИПС совокупности технологических маршрутов изготовления всей
номенклатуры изделий, обладающих технологической общностью,
определяется требуемый парк оборудования (по составу и количеству) и производится концентрация операций и формирование модулей ИПС – комплексов и линий.
Для оставшихся изделий, изготовление которых не подчиняется общим технологическим маршрутам, организуются предметные
(предметно-замкнутые) участки с требуемым набором оборудования (основного и вспомогательного).
Успешная реализация вышеприведенных принципов построения позволяет обеспечить непрерывность и поточность производственного процесса. В зависимости от номенклатуры изделий,
степени автоматизации операций и синхронизации их выполнения
различают одно- и многопредметные, непрерывно- и прерывно-поточные линии.
Результатом этих решений является организационно-технологическая структура, определяющая:
– организацию и технологические функции ИПС в целом и ее
структурных элементов в отдельности;
– схему расположения основного и вспомогательного оборудования;
– состав и количество средств технологического оснащения на
основных и вспомогательных операциях;
– взаимосвязи между единицами оборудования (основного и
вспомогательного) и технологическими модулями в пространстве;
– направления движения изделий в ходе их изготовления;
– размер производственной площади.
Структурное проектирование производят на основе типовых
структурных схем технологических комплексов и линий, приведенных на рис. 3.6.
Характеристиками организационно-технологической структуры ИПС являются: такт (ритм) выпуска; число рабочих позиций i-го
74
технологического модуля (линии); общее число рабочих позиций; коэффициент загрузки j-го оборудования (модуля); параметры производственной площади; коэффициент использования производственной площади; типы и количество транспортных устройств; система
адресования; величина заделов (технологических, транспортных и
др.); параметры складов; параметры стандарт-плана работы ИПС.
3.5. Выбор автоматизируемых функций
Формирование перечня автоматизируемых функций. Для решения рассмотренной задачи синтеза должно быть сформировано
множество функций, подлежащих реализации в проектируемой
ТС. Далее из этого множества выбираются функции, подлежащие
автоматизации.
Примеры составления укрупненных функций:
– для ТС на уровне АТК функции: накопительная, подающая,
загрузочная, преобразующая, контрольная, разгрузочная;
– для АСС (автоматизированной складской системы) функции:
хранение, учет, прием заявок, поиск адреса ячейки, управление
штабелером, разгрузка ячейки, транспортирование тары к выходной позиции, кодирование;
– для АТС (автоматизированной транспортной системы) функции: прием заявок, хранение заявок, загрузка на позиции АСС, выбор маршрута движения, транспортирование, разгрузка;
– для АСИО (автоматизированной системы инструментального
обеспечения) функции: хранение, сборка, комплектование, кодирование, прием заявок, хранение заявок, загрузка-разгрузка позиций хранения, загрузка транспортных средств, разгрузка.
Далее, как показано в подразд. 3.2, задача синтеза решается в
такой формулировке: каждому элементу специализированного
перечня функций необходимо поставить в соответствие элемент
структурно-функциональной схемы. Другими словами, необходимо каждой автоматизируемой функции поставить в соответствие
реализующий ее элемент (устройство, механизм, ПР и т. д.).
Совокупность задач анализа и синтеза проектирования технологической системы иллюстрируется схемой, приведенной на рис. 3.4.
Количество и вид автоматизируемых функций определяется на
основе сформированного общего перечня функций, реализуемых
в ТС, обеспечивающих выбранные цели и задачи автоматизации.
За основу берутся результаты обследования производства. Схема
75
Формирование
перечня целей
автоматизации
– повышение эффективности использования
оборудования;
– повышение гибкости;
– повышение производительности труда;
– повышение качества
изделий;
– экономия ресурсов;
– снижение себестоимости изготовления
изделий;
– обеспечение стабильности качества;
– уменьшение сроков
освоения изделий;
– повышение адаптации технологической
системы к изменениям
Определение вида
и количества
автоматизируемых
функций
Уровень
автоматизации
по каждой
функции
Вариант
автоматизации
Оценочные
критерии
Базовые варианты
автоматизации
Факторы,
определяющие
выбор варианта
автоматизации
– степень новизны;
– группа сложности
технической реализации;
– объем производства;
– серийность (размер
партии);
– конструкции и
параметры объекта
производства;
– конструкции и
параметры компонентов сборки;
– контролируемость и
управляемость
параметров операции;
– время технологического цикла;
– временные затраты
на подготовительные и
вспомогательные
операции
Требования ТЗ
(по производительности,
гибкости, точности,
надежности и др.)
Рис. 3.4. Схема выбора варианта автоматизации
технологической системы
определения целей создания ИПС в зависимости от сценариев проектирования приведена на рис. 3.5.
Исходным перечнем выбора автоматизируемых функций служат перечни типовых видов автоматизации элементов ТС:
1) автоматизация основных технологических операций;
2) автоматизация манипулирования объектами технологических операций;
3) автоматизация подготовительных операций (накопление, загрузка, установка, закрепление, взаимное сопряжение, прихватка и т. д.);
76
Цели создания ИПС
Весовой
коэффициент
Повышение эффективности
использования оборудования
0,2
Повышение гибкости
0,15
Снижение себестоимости
изготовления продукции
0,12
Повышение качества
продукции
0,12
Сценарий
проектирования
ИПС
СЦ–1
СЦ–2
Повышение
производительности труда
0,09
Обеспечение стабильности
качества продукции
0,09
Экономия
на трудовых ресурсах
0,06
Уменьшение количества
необходимого оборудования
0,05
Уменьшение средств освоения
продукции
0,05
Повышение быстроты
реагирования
на вносимые изменения
0,04
Экономия на материальных
и энергетических ресурсах
0,03
СЦ–3
СЦ–4
Номера
основных
целей
2–4,
6, 9, 10
2–4,
6, 8, 11
1–3,
5, 7, 8
1–11
Рис. 3.5. Схема определения целей создания ИПС
в зависимости от сценариев проектирования
4) автоматизация управления;
5) автоматизация контроля;
6) автоматизация подачи материалов;
7) автоматизация смены приспособлений, инструментов, накопителей, магазинов;
77
8) автоматизация транспортирования;
9) автоматизация удаления отходов с позиций операций.
Определение вида автоматизируемых функций – это определение принципа, способа реализации частной задачи автоматизации.
Заключается в формировании состава (предварительного) действий, необходимых для автоматизированного выполнения функций. Далее для каждой функции определяется рациональный уровень автоматизации.
Задача решается с использованием формул оценки показателей качества (гибкости, производительности, надежности), функционально-стоимостного анализа и логико-вероятностного метода
оценки рисков.
Затем решается задача синтеза автоматизированной технологической операции. Основная операция синтеза – разбиение (декомпозиция операции на законченные действия, которым в соответствие необходимо поставить средство(а) автоматизации).
Выбор уровня автоматизации функций ТС (для АТК). Общий
уровень автоматизации структурного элемента (основного или
вспомогательного) оценивается коэффициентом автоматизации
Ka =
Nàâò.ô
Nîáù.ô
,
где N – количество функций технологической системы (в АТК).
Выбор количества автоматизируемых функций можно выразить зависимостью
f n = (Ô, kïð ),
где Ф – совокупность факторов, определяющих выбор варианта,
kпр – критерий или несколько критериев предпочтения.
Варианты методик поиска рационального уровня автоматизации:
а) сравнительная оценка типовых вариантов и выбор базовых (например, на основе базы типовых структур, показанной на рис. 3.6);
б) анализ по главному критерию предпочтения (показателю надежности, коэффициенту загрузки, минимальному времени переналадки tпер, минимальному значению коэффициента дефектности
изделий Kдеф;
в) анализ по совокупности критериев (например, с использованием методики экспертного оценивания с заполнением карты, вариант которой приведен в табл. 3.1);
г) сравнение вариантов по стоимостному критерию.
78
79
С одной
единицей
оборудования
Линейная
Линейная
Последовательные
Ветвящиеся
II тип
Сходящиеся
С обратной
связью
III тип
С двумя
С двумя
и более
и более
единицами
единицами
оборудования оборудования
Рис. 3.6. Структурные схемы технологических комплексов и линий
Круговая
С двумя
и более
единицами
оборудования
Замкнутая
I тип
Круговая
Технологические структуры
Зигзагообразная
80
0,30
0,35
0,15
0,20
1
2
3
4
Показатели экспертного оценивания (а) и весовые коэффициенты
СуммарКритерий
СложСкорость ЭнергетиЗатраты на
ПроизвоВремя РеалиЭксплуатаная
№
предНовиз- ность
реагирова- ческая Надежпроектидительпере- зуемая
ционные оценка
вар. почтения
на реализания на
потреб- ность
рование и
ность
наладки точность
расходы
kпр
ции
возмущения ность
изготовление
∑ kïð ·a
0,12
0,14
0,05
0,1
0,08
0,1
0,1
0,12
0,045
0,045
Карта выбора варианта автоматизации эвристическим методом (методика экспертного оценивания)
Таблица 3.1
3.6. Моделирование технологических систем
Постановки задач моделирования
технологических систем
Проектирование ТС как элемента производственной системы относится к задачам разработки сложных технических систем, поэтому на всех этапах проектирования (до получения возможности
экспериментировать непосредственно на технических объектах) целесообразно использование различных моделей. Вид моделей и их теоретическая база зависят от поставленной цели исследования с применением модели и задач, которые исследователь собирается решать.
Ниже даны примеры целей и решаемых задач проектирования
ТС с применением моделей.
1. Цель – моделирование структуры ТС для оптимизации состава и функциональных связей.
Задача: определение количественно-временных параметров для
выбора оптимального варианта построения ТС.
Используемый аппарат – функциональное моделирование, имитационное моделирование.
2. Цель – моделирование технологических процессов в ТС для
определения условий их качественного выполнения.
Задачи: определения взаимозависимостей и взаимовлияния параметров процесса от внешних и внутренних факторов; определение влияющих факторов на качественный параметр процесса в ТС;
определение условий бездефектности процесса и доверительных
оценок; определение условий стабильности процесса.
Используемый аппарат – методы построения причинно-следственных диаграмм, схем; методы математического анализа, компьютерное моделирование на основе расчетно-аналитических зависимостей.
3. Цель – моделирование процессов управления ТС и ее элементами для автоматизированного управления функционированием ТС.
Задача: разработка оптимального алгоритма управления при
различных факторах, событиях, ситуациях.
Используемый аппарат – функциональное моделирование, методы искусственного интеллекта (фреймы, графы), экспертные системы, нейросетевые модели.
Функционально-параметрическая модель
производственной системы
Определение наиболее эффективной комбинации параметров и
характеристик в силу многовариантности построения системы и
81
многопараметричности описания состояния элементов системы и
процессов функционирования, требует применения моделирования.
Функциональные модели формируются на базе обобщенной
структурно-параметрической модели, построение которой может
быть выполнено после определения укрупненной функциональной
структуры. Обобщенная структурно-параметрическая модель производственной системы показана на рис. 3.7.
На рис. 3.7 обозначено: X{xi} – множество входных параметров;
Y{yj} – множество выходных параметров; E{εn} – параметры внешних
возмущений, действующих на производственную систему; R{rm} –
множество параметров управления системой; Z{zp} – множество параметров, характеризующих состояние системы и ее элементов.
Для функциональной модели сборочной ТС в составе производственной системы параметрические множества имеют следующее
содержание: F{fсб} – параметры, характеризующие материалы,
сырье, комплектующие, энергию, финансы и др.; Xсб{xi} – параметры деталей и узлов (комплектации), а также плановые показатели
сборочного производства (точность, надежность, себестоимость, эффективность и др.); R{rm} – параметры управления (диспетчерские,
ситуационные, управляющие программы и т. п.); Z{zp} – параметры
результатов функционирования ТС, параметры состояний (контролируемые переменные процесса, оборудования); Yсб{yj} – множество
выходных параметров ТС, характеризующие качество изделий –
объектов сборки, а также фактические показатели качества сборочного производства (точность, надежность, себестоимость, эффективность и др.); E{εn} – параметры дестабилизирующих факторов,
оказывающие свое влияние на функционирование сборочной ТС.
В контуре управляемой сборочной ТС параметры Xсб{xi} и F{fсб}
претерпевают изменения под действием преобразующих факторов,
а параметры Yсб{yj} унаследовали влияние предыдущих операций
и действие дестабилизирующих факторов. Уровень стабильности
Yсб{yj}, помимо качественной оценки собранных изделий, характеризует способность ТС реагировать на возмущения и своевременно
их компенсировать, т. е. поддерживать цель функционирования.
Главная цель функционирования ТС может быть выражена следующей функцией:
=
G max(min)Ψ [Êè (t), Êô (t), R (t)],
где Êè (t) → max – качество партии изделий за время t;
Êô (t) → max – эффективное функционирование ТС за время t;
 
R (t) → min  – расходы, затраты, потери.
82
83
xn
x3
x2
x1
rm
z1 z2 z3
zp
Параметры оборудования
Технологические
модули и средства обеспечения
функционирования
Контрольно-испытательные
процессы
Параметры технического состояния системы
Параметры процесса
Y сб
εn
Автоматизированная система управления производством
r3
Технологические модули
и средства обеспечения
функционирования
Средства контроля и управления
Хсб
Сборочно-монтажные
процессы
ε3
Рис. 3.7. Обобщенная структурно-параметрическая модель производственной системы
r1 r2
Параметры изделия
f сб
Технологические модули
и средства обеспечения
функционирования
Физико-химические
процессы обработки
ε1 ε2
yj
y3
y2
y1
В общем случае система S определяется как преобразование входа X в выход Y посредством некоторого оператора ψ:
S : X Ψ → Y.
Учитывая управляющее множество R, систему можно задать
отображением
X : R Ψ → Y.
С учетом дестабилизирующих факторов Е система осуществляет
отображение
S : X ⋅ R ⋅ E Ψ → Y.
Структура возмущений, действующих в производственной системе (в том числе и в ТС), приведена на рис. 3.8.
Цель управления качеством функционирования ТС состоит в
оптимизации функции цели решением задачи синтеза. Аналитически это описывается так: задана система, осуществляющая отоТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
Основные подсистемы,
реализующие
технологические процессы
Х1
Х2
Xi
Y1
Y2
Собственные
источники возмущений
Подсистемы, обеспечивающие
функционирование
технологической системы
ВНУТРЕННИЕ
СИСТЕМНЫЕ
ИСТОЧНИКИ
ВОЗМУЩЕНИЙ
Подсистема подготовки
и сопровождения
технологической системы
Подсистема контроля
и управления качеством
Информационно-управляющая
подсистема
ВНЕШНИЕ
ИСТОЧНИКИ
ВОЗМУЩЕНИЙ
Рис. 3.8. Структура возмущений, действующих
в производственной системе
84
Yj
бражение XR → Y и пусть g: XRY → {G} – функция, отображающая
множество входных, управляющих и выходных элементов во множестве {G}, упорядоченное отношением. Функция g может быть задана двумя функциями:
ψ: XR → Y и G: XRY{G}
или
g(z, u) = G [z, u, F(z, u)],
где u ∈ R, F(z, u) – уравнения связей, а G – функция цели.
Исследование производственных систем
с применением имитационного моделирования
При проектировании ИПС и ее элементов возникают многочисленные задачи, требующие исследования сложных количественных и качественных закономерностей их функционирования.
Большие капитальные вложения в ИПС требуют проведения экспериментальной проверки проектных решений до их реализации,
что не осуществимо. В этом случае большую помощь оказывает аппарат имитационного моделирования.
Сущность имитационного моделирования состоит в реализации
на ЭВМ алгоритма, воспроизводящего формализованный процесс
функционирования конкретной ТС и позволяющего по исходным
данным получить сведения о состоянии производства в произвольные моменты времени. Наряду с этой задачей оперативно-диспетчерского плана имеются большие возможности проектирования и
отладки транспортно-технологических схем, систем компоновки
оборудования на производственных участках, организации заделов
и накопительных позиций, отладки алгоритмов и программ и т. п.
Преимущества и возможности имитационного моделирования
можно резюмировать следующим образом:
– имитационное моделирование позволяет решить задачи, решение которых с помощью других методов затруднено или невозможно. Дело в том, что производственная система очень сложна
как моделируемый объект, содержит многоразмерные векторы
входов и выходов со сложными взаимосвязями, структура которых
часто неизвестна;
– имитационный эксперимент нагляден;
– имитационные модели способны хорошо представлять стохастические свойства реальности, могут работать с любым распределением. Случайные величины можно задать с помощью эмпириче85
ски определенной гистограммы или с помощью частоты события
и таким образом представить случайный характер объекта более
точно (а также более удобно), чем с помощью теоретического распределения;
– путем имитации можно легко моделировать временное протекание операции (имитируются динамические объекты);
– путем модельного экспериментирования можно обследовать
большое количество альтернатив, причем в процессе эксперимента
можно легко переходить от одной альтернативы к другой;
– можно моделировать альтернативы или события, которые не
осуществимы на реальном объекте из-за больших затрат, продолжительности эксперимента или опасности повреждения оборудования;
– ход эксперимента, продолжительность имитируемого периода
времени и возможность повторения находятся под контролем пользователя.
Практика применения различных имитационных моделей производственного назначения показывает, что затраты на подготовку
и отладку транспортно-технологической системы могут быть сокращены на 25%, путем моделирования длительность ТП и циклов
работы модулей и комплексов сокращена на 20%, эффективность
управления по показателям загрузки и сокращения простоев повышается на 45%.
Разработанная имитационная модель ТС в процессе эксплуатации может использоваться как наиболее эффективное средство для
разработки и отладки управляющих программ для вновь запускаемых в производство изделий, составления планов-графиков, анализа потерь, надежности, производительности как для ТС в целом,
так и для ее элементов.
Классификация имитационных моделей производственных систем приведена на рис. 3.9.
В событийных моделях выбирается множество типов событий
и описывается логика обработки событий каждого типа, создается
перечень событий всех типов, которые должны реализоваться в процессе функционирования моделируемой системы, само функционирование представляется в виде временной последовательности переходов событий из одного состояния в другое. В модели процессов
производственная система описывается в виде совокупности взаимосвязанных процессов, через которые проходят предметы обработки, обычно программный алгоритм преобразует модель процессов в
событийную, где событием является начало или завершение некоторого процесса над отдельно взятым предметом обработки.
86
Имитационные модели
Непрерывные
Тип
моделируемой
системы
Дискретные
Область
Специализированные применения Общего назначения
Событийные
Модели процессов
Структура
Сетевые
Модели
Модели
пользователя
Рис. 3.9. Классификация имитационных моделей
производственных систем
В сетевых моделях заранее формализуется и программно реализуется несколько типов процессов. Задача пользователя состоит
в том, чтобы идентифицировать модельным процессом процессы,
происходящие в производственной системе, и построить сеть их
взаимосвязей. В моделях пользователя последний должен определить множество процессов, описать каждый из них и организовать
их взаимодействие средствами имитационного языка или языка
высокого уровня.
В качестве аппарата имитационного моделирования широко используются методы теории массового обслуживания и теории очередей. Рассмотрим некоторые исходные принципы построения и
особенности моделей, использующих эти методы.
Изделие, поступающее на производственное оборудование (станок, установку, склад и др.), рассматривается как заявка, требующая обслуживания. Заявка начинает обслуживаться сразу, как
только агрегат освобождается. Если в момент прихода заявки агрегат занят, она становится в очередь. Порядок выбора заявок из очереди определяется дисциплиной обслуживания. Наиболее распространенной является дисциплина обслуживания FIFO («первым
пришел – первым обслужен»). Эта дисциплина характеризуется
наименьшей дисперсией времени ожидания. Возможны также приоритетные дисциплины обслуживания, позволяющие уменьшить
87
среднее время ожидания. Наименьшее значение среднее время
ожидания принимает, если из очереди выбирается заявка с минимальным временем обслуживания. Времена обслуживания заявок
считаются случайными. Весь производственный процесс при этом
моделируется путем рассмотрения процесса прохождения заявок
по агрегатам ТС.
Сеть массового обслуживания состоит из связанных между собой систем массового обслуживания (СМО). Группы взаимозаменяемого оборудования ТС в сетевой модели отображаются одно- или
многоканальными СМО, стоящими в узлах сети. Маршруты движения изделий моделируются связями между узлами (ориентированными дугами). Объекты (детали, полуфабрикаты, инструменты
и др.), хранящиеся на центральном складе, буферных или пристаночных накопителях, отображаются в виде очередей на обслуживание в узлах.
Для представления ТС в виде сети массового обслуживания (количественно-временное моделирование) задается ряд параметров:
n – количество узлов сети, т. е. количество позиций взаимодействия оборудования ТС с изделиями; mi – количество обслуживающих устройств в i-м узле – количество параллельно работающих
агрегатов на i-й позиции; γi – интенсивность внешнего потока заявок (например, поступающих заготовок) на i-ю позицию, γi = 1/
Ti, где Ti – среднее значение интервала времени между двумя последовательными поступлениями заявок; μi – интенсивность обслуживания, μi = 1/τi, где τi – среднее время обслуживание заявки,
т. е. время обработки, транспортирования и т. д. в i-м узле.
Распределение потока заявок между n узлами задается элементами вероятностной матрицы P = ( pij )ni , P = (pij)in, где pij – доля потока, идущего от i-го узла к j-му, ∑ pij ≤ 1.
Для представления ТС в виде стохастической сети (динамическое моделирование), задаются дополнительно параметры: λi – интенсивность отказов устройств i-го узла; Тв – среднее время восстановления устройств i-го узла и др.
Как правило, входные потоки заявок принимают пуассоновскими. Времена обслуживания заявок в каждом из узлов распределены экспоненциально с интенсивностью μi.
По взаимодействию с внешней средой сети массового обслуживания делятся на замкнутые и разомкнутые. Характерной чертой
разомкнутой сети является наличие входного и выходного потоков. Сети такого типа чаще используются для моделирования ТС
(обрабатывающих, сборочных линий и последовательно соединен88
ных комплексов). В замкнутой сети постоянное количество заявок
циркулирует по замкнутым контурам в соответствии с вероятностной матрицей передач. Замкнутые сети используются для решения
задач проектирования ТС механообработки со спутниковой системой транспортирования объектов по позициям обслуживания.
Все разновидности транспортно-технологических схем можно
свести в три группы: последовательные, параллельные и комбинированные схемы. В соответствии с терминологией теории массового
обслуживания их можно называть соответственно одноканальными, многоканальными и комбинированными сетями, в которых
протекают одноименные потоки заявок.
Если в сети заявки не размножаются (например, из одной заготовки изготавливается одна деталь) и не поглощаются (нет сборки),
то такая сеть называется линейной. В установившемся режиме в
линейной сети интенсивности входящего в узел и выходящего из
узла потоков заявок равны. Сети, в которых заявки размножаются
или поглощаются, – нелинейные.
Если в сети обслуживаются заявки разных классов (т. е. с разными маршрутами, дисциплинами обслуживания и другими отличающимися параметрами), то такая сеть называется неоднородной.
Сеть с одним классом заявок – однородная.
Анализ ТС с помощью сетевых моделей позволяет получить ряд
вероятностных характеристик функционирования систем: интенсивности входного и выходного потоков, средние количества заявок в узлах и в системе в целом, среднее время обслуживания заявок в узлах и в системе в целом, коэффициенты загрузки агрегатов,
среднее количество заявок в очередях к различным узлам, среднее
время ожидания обслуживания (пролеживания) в узле, коэффициенты простоя агрегатов и др.
Одной из важных задач, решаемых с помощью теории сетей массового обслуживания, является определение производительности ТС.
Она понимается как максимально допустимая, потенциально возможная пропускная способность системы относительно входного потока.
Исследование процессов, действующих
в технологической системе
В ТС имеют место следующие виды процессов:
– плановые процессы, предназначенные для реализации видов
работ, обеспечивающих выполнение задач технологических преобразований при изготовлении изделий в данной ТС;
89
– плановые процессы контроля и управления, обеспечивающие
качество выполнения технологических преобразований;
– процессы, являющиеся следствием различных внутренних и
внешних возмущений;
– процессы восстановления ТС, подвергшейся воздействию дестабилизирующих факторов.
Для решения многочисленных задач, связанных с обеспечением
бездефектности производства, стабильности качества, минимизации потерь от действия возмущений требуется детальное исследование всех факторов, дестабилизирующих систему, видов и степени влияния каждого из них на качественные параметры плановых
процессов и объекты производства. Такую сложнейшую аналитическую задачу невозможно выполнить, не имея схему причинно-следственных связей и зависимостей в ТС с мельчайшей детализацией
элементов анализа. В качестве методического обеспечения проведения такого анализа может быть использована методика Ишикава,
основанная на схематичном представлении причинно-следственных
связей в ТС. Пример построения таких схем приведен на рис. 3.10.
На основе таких схем могут быть построены модели, отражающие
функциональные зависимости между параметрами, характеризующими факторы, влияющие на характеристику качества (выходной
лимитирующий фактор ТП). С помощью моделей возможна оценка
вкладов влияющих факторов, определение коэффициентов влияния,
корреляционных связей и т. п. Исследование причинно-следственных
связей и зависимостей позволяет выполнить отладку ТП, перекрыть
или свести к минимуму влияние различных факторов на качество
изделий и разработать оптимальный алгоритм управления при воздействии на процесс и ТС различных факторов, событий, ситуаций.
Пример декомпозиции источников погрешностей в АТК показан
на рис. 3.11. Эта обобщенная схема может быть взята за основу построения схем причинно-следственных связей АТК любого типа и
назначения. Элементы схемы рис. 3.11, представляющие собой источники погрешностей изготовления (обработки, сборки, контроля
и др.), в схеме причинно-следственных связей образуют причины
первого порядка, которые детализируются на «косточки рыбьего
скелета», как показано на рис. 3.10.
Пример декомпозиции источников погрешностей в АТК приведен на рис. 3.12. Эта обобщенная схема может быть взята за основу построения схем причинно-следственных связей АТК любого
типа и назначения. Элементы схемы рис. 3.12, представляющие
собой источники погрешностей изготовления (обработки, сборки,
90
91
Тип
Персонал
Организация
труда
Технологический
уровень
Износ
Усилие
Оснастка
Точность
Механические
характеристики
Технологические
режимы
Влажность
Среда
Нормативнометодическое
обеспечение
Контроль
Характеристика
системы качества
Квалификация
Оборудование
и инструмент
Технологическая
дисциплина
Запыленность
Время
выдержки
Температура
Подача
Полнота
контроля
Методы,
нормативы
Выходной
лимитирующий
фактор ТП
Газовый состав
Температура
Рис. 3.10. Пример схемы причинно-следственных связей факторов,
определяющих качество ТП по исследуемому показателю
Средства
технологического
оснащения
Уровень
автоматизации
Износ
Оборудование
Содержание
влаги
Химический
состав
Включения
Сырье
Технологическая
установка (ОТО)
Приспособление
Инструмент
Объект сборки.
Собственные погрешности
АТК
Манипулирующие
устройства
Производственная
среда.
Внешние факторы
Технологические
материалы
Модель, алгоритм,
программа
Рис. 3.11. Обобщенная схема источников погрешности
в автоматизированных технологических комплексах
контроля и др.), в схеме причинно-следственных связей образуют
основные «косточки рыбьего скелета». Эти основные косточки детализируются на более мелкие, как показано на рис. 3.10 и 3.11.
3.7. Использование элементов
интеллектуального проектирования при разработке
автоматизированных производственных систем
Современные системы автоматизированного проектирования
содержат элементы интеллектуализации, позволяющие выбирать
необходимые решения на уровне специалиста высшей квалификации, используя базу знаний (БЗ).
Автоматизация решения многочисленных задач проектирования
технологических систем и ИПС, как показано в подразд. 2.4, дает
значительный эффект, связанный прежде всего с получением существенного сокращения сроков проектирования. Однако для такого
рода крупных проектов очень важным является качество принимаемых проектных решений. Ошибки проектирования могут привести
к отрицательным результатам в виде малоэффективного или даже
убыточного производства. Использование элементов искусственного
интеллекта при принятии решений или экспертных систем проектирования позволяет в значительной степени избежать крупных ошибок проектирования и получить высокоэффективный проект.
Основные принципы создания интеллектуальных процедур в процессе автоматизированного проектирования состоят в следующем:
– все элементы, которыми в ходе проектирования оперируют, на
основе чего создается проект или принимается решение, должны
быть классифицированы;
92
– все классифицированные элементы должны иметь атрибуты,
индексированные с применением определенных правил;
– алгоритм проектирования строится на основе ориентированного графа, представленного деревом решений, в узлах которого
находятся решения, полученные по правилам формирования экспертных оценок;
– каждый этап процесса проектирования обеспечивается решением, содержащим атрибут, к которому добавляется комментарий
(обоснование, рекомендация, правило).
Все варианты решений, комментарии, правила формирования
решений по запросу и выводы содержатся в БЗ. Основой построения БЗ служат различные способы представления знаний. Одним
из способов такого представления является представление декларативных знаний в виде фрейм-таблиц.
В качестве примера рассмотрим структуру процесса проектирования автоматизированного сборочно-монтажного производства с
использованием классифицированных решений виртуальной БЗ.
Пример построения фрейм-таблицы, основанной на типовых
структурных формах и схемах сборочно-монтажной ТС (СМТС),
приведен на рис. 3.12.
Элементы функциональной
Классифицированный вариант
Системный
структуры ТС
элемента структуры
атрибут
Вид ТС (по степени концен- С однооперационными позициями
А1–1
трации операций)
С многооперационными позициями
А1–2
На основе сборочных центров
А1–3
Вид складской системы
С централизованным складом
А2–1
(организация складироваС децентрализованным складом
А2–2
ния комплектующих)
Комбинированного типа
А2–3
Вид планировки оборуЛинейное
А3–1
дования (расположение
Многолинейное
А3–2
основного технологическо- Круговое
А3–3
го оборудования)
Вид транспортной системы Линейная
А4–1
Многолинейная (сетевая или звездная)
А4–2
Кольцевая
А4–3
Кольцевая с «карманами»
А4–4
Многокольцевая
А4–5
Рис. 3.12. Пример фрейм-таблицы представления
декларативных знаний по типовым структурным формам и схемам ТС
93
Каждому классифицированному элементу структуры ТС присваивается системный атрибут с принятым принципом индексации. Пример типовых структур ТС сборки с присвоенными атрибутами приведен на рис. 3.13.
Алгоритм поиска решения при анализе типовых структур автоматизированных СМТС показан на рис. 3.14. Фрагмент схемы
классификации вариантов построения ТС в виде графа представлен
I
II
À1−2, À 3−1, À 4 −3, À2−1
IV
V
À1−3, À 3−1, À 4 −1, À2−1
VII
À1−1, À 3−1, À 4 −1, À2−2
X
À1−2, À 3−1, À 4 −1, À2−1
III
À1−2, À 3−2, À 4 −3, À2−1
À1−2, À 3−2, À 4 −2, À2−2
VIII
À1−1, À 3−2, À 4 −4 , À2−3
XI
À1−2, À 3−2, À 4 −2, À2−2
À1−2, À 3−3, À 4 −3, À2−1
VI
À1−3, À 3−3, À 4 −2, À2−1
IX
À1−2, À 3−3, À 4 −3, À2−1
XII
À1−1, À 3−3, À 4 −2, À2−1
Рис. 3.13. Типовые структуры с атрибутами вариантов элементов
94
Результаты предпроектных
обследований
Формирование исходных
данных
Выбор вида АТС по степени
концентрации операций
Оценка уровня сложности,
уровня автоматизации,
расчет показателей
Выбор варианта
организации
складирования
объектов производства
Выбор варианта
расположения
оборудования
Выбор варианта
транспортной системы
В качестве исходных данных необходимо задать:
номенклатуру объектов производства;
характеристики и параметры объектов – представителей каждой группы номенклатуры
А1-1 – обеспечивает максимальную точность,
рекомендуется при небольшой номенклатуре и
небольших размерах партий, трудоемкость переналадки минимальная;
А1-2 – обеспечивает максимальную производительность, рекомендуется при больших размерах партий,
трудоемкость переналадки высокая;
А1-3 – обеспечивает полную обработку или сборку
изделий, требует минимальной производственной
площади, рекомендуется при средних размерах
партий, трудоемкость переналадки средняя
А2-1 – рационален для АТС с однооперационными
позициями при линейном их расположении;
А2-2 – рационален для А1-2 и А1-3 с многолинейным
и круговым расположением оборудования;
А2-3 – рационален для А1-2 и А1-3 при необходимости
постоянной подпитки децентрализованных накопительных позиций
А3-1 – рационален для А1-1, может быть использован для А1-2, при большом числе позиций, большие
затраты на транспортирование;
А3-2 – рекомендуется при большой номенклатуре
объектов производства, при достаточно большом
числе технологических операций, требуется
разветвленное транспортное обслуживание;
А3-3 – рекомендуется при средних размерах
партий, при малом числе выполняемых операций,
обеспечивает максимальную производительность
А4-1 – наиболее целесообразен для варианта А3-1 ,
рекомендуется для выполнения ограниченного
числа заявок;
А4-2 – наиболее целесообразен для варианта А3-2 ;
А4-3 – рекомендуется для А3-2 и А3-3 ;
А4-4 и А4-5 – рекомендуются для А3-2 и А3-3 при
большом числе заявок и необходимом количестве
транспортных средств > 2
Выбор необходимых
систем обеспечения
функционирования
Выбор необходимых
систем обеспечения
качества
функционирования
Критерии принятия решения:
производительность, пропускная способность,
коэффициент загрузки, коэффициент использования, выход годных, показатели надежности
Оценка
технического уровня
Рис. 3.14. Алгоритм поиска решения при анализе типовых структур
автоматизированных ТС
95
СМТС
À1−1
À 3−1
À 3 −2
À1−2
À1−3
II
À 3−3
À 4 −1
À 4 −2
À 4 −3
À2−1
À 2 −2
À2−3
I
À 4 −4
À 4 −5
III
IV
Структурные
уровни
Рис. 3.15. Фрагмент схемы классификации вариантов построения ТС
на рис. 3.15. Поиск решения на графе осуществляется в соответствии с алгоритмом поиска решения при обходе ветвей графа «по
глубине» или «по ширине» в зависимости от решаемой задачи проектирования – анализа или синтеза.
96
4. ИНТЕГРАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ
И ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ
4.1. Задачи, решаемые интегрированной системой
управления информационным обеспечением
и поддержки жизненного цикла изделия
Сегодня большинство эффективно функционирующих промышленных предприятий переходит на проектное управление. На таких
предприятиях разработка и выпуск продукции осуществляются под
определенный заказ – это и незначительные модификации уже отработанных конструкций, и разработка новых изделий. Коротко это
называют заказным производством. Заказы могут быть различными по объему и по срокам, но всех их объединяет то, что они должны
быть реализованы к определенному времени и не должны превышать
заложенный бюджет. Для того чтобы исполнение заказов – проектов – укладывалось в определенные пределы сроков и стоимости,
необходимо тщательно планировать и контролировать эти проекты.
Как правило, производство и конструкторские отделы работают одновременно над несколькими заказами, следовательно, появляется
задача эффективного распределения имеющихся производственных
мощностей и человеческих ресурсов. Кроме того, на промышленном
предприятии имеется ряд задач, не относящихся непосредственно к проектированию и производству продукции, но в то же время
требующих планирования и контроля – это работа с поставщиками
комплектующих и материалов, капитальный и оперативный ремонт
оборудования, маркетинговая деятельность, реклама и т. д. Таким
образом, вся деятельность предприятия представляется в виде совокупности взаимосвязанных проектов, что говорит о необходимости
использования методологии управления проектами как основы для
построения системы управления предприятием.
Наиболее подходящим средством, позволяющим реализовать
корпоративное управление проектами предприятия, является система управления проектами Primavera Project Planner for the
Enterprise (PPE).
Одними из самых важных и трудоемких этапов разработки нового или модификации существующего изделия являются конструкторская и технологическая подготовка производства. На этих
этапах работа ведется с большим объемом документации. Документация, как правило, бывает представлена в разных форматах
(текстовые документы, чертежи, отчеты, таблицы и т. д.) и может
97
разрабатываться в различных прикладных автоматизированных
системах (CAD/CAM/CAE). Автоматизированная система управления должна обеспечивать хранение данных и связанных с ними документов, а также управление структурой изделия и изменениями.
Кроме того, при разработке изделия требуется спроектировать множество деталей. Для каждой детали данные должны быть созданы,
изменены, просмотрены, проверены и утверждены различными
людьми и, возможно, по несколько раз. Более того, разные типы
деталей могут потребовать различных методов разработки и различных типов сопровождающих их данных: для одних это – твердотельные модели, для других – схемы печатных плат, программы
для ЧПУ и т. д. Но и это еще не все: модификация практически
любых данных может оказывать влияние на другие связанные с
ними данные. Таким образом, возникает потребность в постоянной
взаимной проверке и увязке модифицируемых данных, другими
словами – в обеспечении их целостности. В случае одновременно
выполняемых изменений, легко может сложиться ситуация, при
которой конструктор или технолог прикладывает значительные
усилия при работе с данными, которые уже перестали быть актуальными в силу того, что кто-либо другой уже изменил их.
Задача упорядочивания этого чрезвычайно сложного потока работ (т. е. процесса передачи данных, документов и заданий между
участниками), а также задачи управления всем объемом разнородных данных, которые порождаются, хранятся и используются
в различных системах, управление составом изделия (включая,
управление изменениями и конфигурацией) решаются с помощью
PDM-технологии (Product Data Management) – технологии управления всеми данными об изделии и процессами, создающими и
использующими эти данные в течение всего ЖЦ изделия. Эта технология реализована в PDM-системах, системах управления данными об изделии и процессах, широко представленных на рынке
информационных технологий [8–12].
PDM-системы являются одним из основных инструментов
CALS/ИПИ-технологий (Continuous Acquisition and Life cycle
Support) – технологий непрерывной информационной поддержки
жизненного цикла продукции. Система PDM представляет собой
программно-технический комплекс, обеспечивающий аккумулирование и хранение:
– структурированных данных о конструкции изделия и его составных частей, их свойствах (характеристиках);
– документов, относящихся к изделию и его составным частям;
98
– данных о технологических процессах и ресурсах;
– данных о конкретных экземплярах изделия и его составных
частей, включая данные измерений и контроля (данные о качестве).
PDM-технология предназначена для управления всеми данными об изделии и информационными процессами ЖЦ изделия, создающими и использующими эти данные. Данные об изделии состоят из идентификационных данных (например, данных о составе
или конфигурации изделия) и данных или документов, которые
используются для описания изделия или процессов его проектирования, производства или эксплуатации (при этом все данные обязательно представлены в электронном виде).
Управление информационными процессами ЖЦ представляет
собой поддержку различных процедур, создающих и использующих данные об изделии (например, процедуры изменения изделия), т. е. фактически поддержку электронного документооборота,
например конструкторского документооборота.
Информация о технических данных изделия: его структуре, составе и характеристиках, порождается и используется на протяжении всего цикла разработки изделия, поэтому основной принцип
разработки электронной технической документации – интеграция
конструкторских данных об изделии с исходными данными для подготовки документа в едином информационном пространстве (ЕИП)
и осуществление разработки документации параллельно с разработкой изделия. Данный принцип позволяет избежать затрат на повторный ввод информации, облегчает коррекцию технических руководств вследствие изменения конфигурации изделия и снижает вероятность внесения некорректных данных в электронный документ.
Важную роль в интеграции данных об изделии и данных технического руководства играет использование стандарта STEP для
хранения и передачи конструкторской информации. Конструкторские данные, переданные системе подготовки электронным
техническим документом в этом протоколе, позволяют спроектировать структуру сопроводительной документации в соответствии
со структурой изделия, передать характеристики изделия, документы, ассоциированные с узлами изделия. Вопросы разработки
электронной документации в форме интерактивных электронных
технических руководств (ИЭТР) рассмотрены далее в гл. 5.
Любое сложное изделие представляет собой иерархию подсистем,
узлов и деталей. С каждым элементом изделия ассоциируется следующая информация: техническое описание; технология эксплуатации, обслуживания и ремонта изделия; диагностика неисправностей.
99
Основной идеей PDM-технологии является повышение эффективности управления информацией за счет повышения доступности данных об изделии, требующихся для информационных процессов ЖЦ. Повышение доступности данных об изделии достигается за счет интеграции всех данных об изделии в логически единую
модель. Существует много задач, которые можно решить за счет
применения PDM-технологии, среди которых можно выделить
наиболее распространенные:
– создание ЕИП для всех участников ЖЦ изделия;
– автоматизация управления конфигурацией изделия;
– построение системы качества продукции согласно международным стандартам качества серии ISO 9000 (здесь PDM-технология
играет роль вспомогательного средства);
– создание электронного архива чертежей и прочей технической документации (наиболее простой способ применения PDMтехнологии).
Все функции полноценной PDM-системы можно четко разделить на несколько групп.
1. Управление хранением данных и документов. Все данные и
документы в PDM-системе хранятся в специальной подсистеме –
хранилище данных, которая обеспечивает их целостность, организует доступ к ним в соответствии с правами доступа и позволяет
осуществлять поиск данных разными способами. При этом документы, хранящиеся в системе, являются электронными документами, т. е., например, обладают электронной подписью.
2. Управление процессами. PDM-система выступает в качестве
рабочей среды пользователей и отслеживает все их действия, в том
числе следит за версиями создаваемых ими данных. Кроме того,
PDM-система управляет потоком работ (например, в процессе проектирования изделия) и занимается протоколированием действий
пользователей и изменений данных.
3. Управление составом изделия. PDM-система содержит информацию о составе изделия, его исполнениях и конфигурациях. Важной особенностью является наличие нескольких представлений
состава изделия для различных предметных областей (конструкторский состав, технологический состав, маркетинговый состав и
т. д.), а также управление применяемостью компонентов изделия.
4. Классификация. PDM-система позволяет производить распределение изделий и документов в соответствии с различными
классификаторами. Это может быть использовано при автоматизации поиска изделий с нужными характеристиками с целью их
100
повторного использования или для автоматизации присваивания
обозначений компонентов изделия.
5. Календарное планирование. PDM-система содержит функции
формирования календарного плана работ, распределения ресурсов
по отдельным задачам и контроля выполнения задач со стороны руководства.
6. Вспомогательные функции, обеспечивающие взаимодействие
PDM-системы с другими программными средствами, с пользователями, а также взаимодействие пользователей друг с другом.
Основным эффектом от использования на предприятии PDMсистемы является сокращение времени разработки изделия, т. е.
сокращение времени выхода изделия на рынок и повышение качества изделия.
Сокращение времени выхода на рынок достигается в первую
очередь за счет повышения эффективности процесса проектирования изделия, которое характеризуется четырьмя аспектами:
– избавление конструктора от непроизводительных затрат своего времени, связанных с поиском, копированием и архивированием данных, что при работе с бумажными данными составляет
25–30% его времени;
– улучшение взаимодействия между конструкторами, технологами и другими участниками ЖЦ изделия за счет поддержки методики параллельного проектирования, что приводит к сокращению
количества изменений изделия;
– значительное сокращение срока проведения изменения конструкции изделия или технологии его производства за счет улучшения контроля за потоком работ в проекте;
– резкое увеличение доли заимствованных или слегка измененных компонентов в изделии (до 80%) за счет предоставления возможности поиска компонента с необходимыми характеристиками.
Решение задач управления при автоматизированном проектировании изделия выполняется на этапах, представленных на рис. 2.4
и содержащих следующие работы:
1) составление укрупненного плана на уровне проекта. Осуществляется планирование всего проекта (формирование работ, составление календарно-сетевого графика), распределение ресурсов на
уровне проекта, распределение количества ресурсов на каждую работу;
2) составление детального плана на уровне процессов. Выполняется детальное планирование конкретной работы и такое же детальное распределение ресурсов, включая назначение исполнителей;
101
3) мониторинг процессов. Производится отслеживание выполнения задач процесса, управление правами доступа и передача управления от одного этапа к другому и от одного исполнителя к другому;
4) контроль и сбор информации о ходе выполнения проекта;
5) корректировка всех планов на укрупненном и на детальных
уровнях.
Уточним определение «проект» и «процесс»:
– под проектом понимается совокупность работ, необходимых
для достижения цели проекта в рамках ограниченного бюджета
и временных ограничений (охватывает этапы ЖЦ изделия, начиная от разработки технического задания (ТЗ) до постановки
изделия в серийное производство);
– под процессом понимается представление отдельной работы
проекта на детальном уровне в виде последовательно решаемой
совокупности задач.
Анализ существующих систем управления проектами и PDMсистем для решения определенных выше пяти задач управления
позволяет сделать выводы о том, что необходимо комплексное интегрированное решение проблемы управления процессами при автоматизированном проектировании изделия.
4.2. ИПИ-технологии и концептуальная модель CALS
Характеристика единого информационного пространства
Основные проблемы при управлении информацией заключаются в информационном хаосе и коммуникационных барьерах. Информационный хаос появляется по следующим причинам:
– из-за усложнения изделий увеличивается объем информации;
– из-за использования различных прикладных автоматизированных систем.
Коммуникационные барьеры между участниками жизненного
цикла продукции:
– временной барьер связан с получением доступа к данным, созданным на предыдущих этапах жизненного цикла продукции;
– пространственный барьер связан с получением данных из удаленной географической точки;
– организационный барьер связан с получением данных от разных организаций;
– междисциплинарный барьер связан с получением данных специалистов одного профиля специалистами другого профиля;
102
– выразительный барьер связан с использованием различных
форм описания данных.
Создание ЕИП позволяет преодолеть информационный хаос и
коммуникативные барьеры между участниками жизненного цикла
изделия. Результатом будет снижение временных и материальных
издержек и повышение степени удовлетворения потребностей заказчика, что ведет к повышению конкурентоспособности изделия.
ЕИП – это единая информационная среда, реализуемая средствами
PDM и обеспечивающая совместную, согласованную работу руководителей и исполнителей на различных стадиях ЖЦ. На стадии изготовления при выполнении работ по подготовке производства – это
согласованная работа конструкторов, технологов и других специалистов предприятия. Помимо информации об изделии, в сфере ТПП
важную роль играет информация о процессах изготовления, а также о ресурсах, необходимых для этого изготовления. Таким образом,
ЕИП включает в себя информацию о продукте, процессах и ресурсах,
которая создается при проектировании, дополняется при подготовке
производства, изготовлении и эксплуатации и совместно используется конструкторами, технологами, управленцами, эксплуатирующим
персоналом и другими специалистами на стадиях ЖЦ.
ЕИП предполагает отказ от прямого взаимодействия и передачи
данных между участниками жизненного цикла. Все коммуникации между ними должны осуществляться через ЕИП (рис. 4.1).
Назначение ЕИП:
– собирать всю информацию об изделии;
– быть единственным источником данных об изделии (прямой
обмен данными между участниками ЖЦ исключен);
ЖЦ изделия
НИИ, КБ
Сервисная фирма
ЕИП
Предприятие «А»
Потребитель
Предприятие «Б»
Рис. 4.1. Единое информационное пространство
103
– формироваться на основе международных, государственных и
отраслевых стандартов.
ЕИП имеет свойства:
– информация представлена в электронном виде;
– ЕИП охватывает все данные об изделии, созданные всеми
участниками жизненного цикла;
– ЕИП выступает единственным источником информации для
всех участников жизненного цикла, предоставляя информацию в
нужном виде в нужное время;
– для интеграции данных используются только международные, государственные и отраслевые стандарты;
– в ЕИП используются существующие на предприятии программно-аппаратные средства;
– ЕИП непрерывно развивается.
Этапы создания ЕИП, предусмотренные стратегией развития:
– автоматизация отдельных процессов жизненного цикла;
– интеграция автоматизированных процессов в рамках единого
информационного пространства.
ЕИП может быть создано для организационных структур разного уровня: от отдельного подразделения до виртуального предприятия или корпорации.
Преимущества ЕИП:
– обеспечение целостности данных;
– минимум преобразований при переходе с одного этапа жизненного цикла на другой;
– изменения данных доступны всем и сразу;
– повышение скорости поиска и доступа к данным;
– использование компьютерных систем для доступа к данным;
– организация географически удаленного доступа к данным.
CALS/ИПИ как концепция объединяет принципы и технологии
информационной поддержки ЖЦ изделия на всех его стадиях и основывается на использовании ЕИП. ЕИП обеспечивает единообразные способы управления процессами взаимодействия всех участников ЖЦ, а именно: заказчиков продукции, производителей (поставщиков) продукции, а также ремонтного и эксплуатационного
персонала.
Реализация концепции ЕИП основана на применении открытых
архитектур, международных стандартов и апробированных коммерческих продуктов обмена данными. Стандарты CALS описывают форматы представления данных, методы доступа к данным и их
корректной интерпретации.
104
105
ИНТЕГРИРОВАННАЯ
ИНФОРМАЦИОННАЯ СРЕДА –
ЕДИНОЕ ИНФОРМАЦИОННОЕ
ПРОСТРАНСТВО
(ЕИП)
PDM
к
обеспечению
Управление проектами, работами и ресурсами сводится к проверке и обеспечению хода работ по проектам, а
также к проверке и обеспечению расходования
соответствующих ресурсов
Управление качеством сводится
удовлетворенности потребителя.
Управление конфигурацией изделия заключается в
обеспечении соответствия фактических свойств
изделия заданным требованиям заказчика.
Три типа базовых технологий, комплексная реализация которых позволяет отслеживать и контролировать
процесс разработки и выпуска продукции:
– управление конфигурацией изделия;
– управление качеством;
– управление проектами, работами и ресурсами.
БАЗОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССАМИ
Рис. 4.2. Базовые принципы и технологии CALS/ИПИ
В ЕИП действует единая система
правил представления и хранения
информации, а также обмена ею, в
соответствии с которыми протекают
информационные процессы, сопровождающие и поддерживающие
жизненный цикл изделия.
Мониторинг процессов осуществляется
с
помощью
модуля
workflow (потока работ), реализующего процесс передачи данных,
документов и заданий между участниками. Модуль является типовым
для всех современных PDM-систем
БАЗОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
УПРАВЛЕНИЯ ДАННЫМИ
БАЗОВЫЕ CALS/ИПИ-принципы
состоят в организации оперативного
взаимодействия всех участников
ЖЦ в едином информационном
пространстве, формируемом по
принципу – «одноразовый ввод
информации при последующем ее
многократном использовании»
Информационная интеграция основывается на использовании:
– информационной модели ЖЦ продукции и выполняемых в
ходе ЖЦ процессов;
– информационной модели продукта (информация об изделии);
– информационной модели производственной и эксплуатационной среды.
Программной основой построения ЕИП является специализированный класс программных систем, получивший название PDMсистем (Product Date Management), т. е. систем ведения проекта. Интегрированные системы типа PDM обобщают такие технологии, как
управление документами, конструкторскими и технологическими
данными об изделии, управление проектами, работами и ресурсами.
Можно выделить три типа базовых технологий, комплексная
реализация которых позволяет отслеживать и контролировать процесс разработки и выпуска продукции (рис. 4.2):
– управление конфигурацией изделия;
– управление качеством;
– управление проектами, работами и ресурсами.
Управление конфигурацией изделия заключается в обеспечении соответствия фактических свойств изделия заданным требованиям заказчика.
Управление качеством сводится к обеспечению удовлетворенности потребителя. Наконец, управление проектами, работами и
ресурсами сводится к проверке и обеспечению хода работ по проектам, а также к проверке и обеспечению расходования соответствующих ресурсов.
Базовые информационные технологии CALS/ИПИ
В основе CALS/ИПИ-технологий лежит процесс совместного использования данных, полученных на различных стадиях жизненного цикла изделия. Это понятие включает в себя весь комплекс
данных, которые создаются и используются на всем ЖЦ изделия.
Эти данные включают в себя информацию о конфигурации и структуре изделия, характеристики и свойства, организационную информацию (описание процессов, связанных с изменением данных
об изделии), документы, которыми «обрастает» изделие с момента
его проектирования до момента его продажи и дальнейшего сервисного обслуживания [6–8].
Как показывает мировая практика, применение CALS/ИПИ-технологий в качестве инструмента для информационной поддержки
106
всех участников создания и использования изделия, существенно
повышает эффективность деятельности организации. Это происходит за счет ускорения процессов исследования и разработки изделий, придания им новых свойств, сокращения издержек в процессах производства и эксплуатации продукции, повышения уровня
сервиса при эксплуатации и техническом обслуживании. В настоящее время под CALS/ИПИ-технологиями понимаются технологии
повышения эффективности бизнеса, основанные на интенсивном
информационном взаимодействии субъектов хозяйственной деятельности и совместном использовании информации в ходе жизненного цикла изделия. Другими словами, ключевым аспектом этих
технологий является организация оперативного взаимодействия
всех участников ЖЦ в едином информационном пространстве, формируемом весьма экономично, по принципу – «одноразовый ввод
информации при последующем ее многократном использовании».
По оценкам специалистов грамотное применение CALS/ИПИтехнологий позволяет ускорить процесс разработки новых наукоемких изделий в 25–30 раз при одновременном значительным повышением качества выпускаемой продукции и сокращении (до
30%) издержек при производстве и эксплуатации. Кроме того,
применение CALS/ИПИ-технологий на всех стадиях ЖЦ изделия
способствует непрерывному улучшению качества самого изделия и
связанных с ним процессов.
Общая структура концептуальной модели CALS/ИПИ приведена на рис. 4.3 [4].
Базовые CALS-принципы
Маркетинг
Проектирование
Производство
Интегрированная
информационная
среда
Продажи.
Поставки
Эксплуатация
Базовые технологии управления данными
Базовые технологии управления процессами
Рис. 4.3. Концептуальная модель CALS/ИПИ
107
Основу концептуальной модели CALS/ИПИ составляет ЕИП.
В ЕИП действует единая система правил представления и хранения информации, а также обмена ею, в соответствии с которыми
протекают информационные процессы, сопровождающие и поддерживающие ЖЦ изделия. В этом реализуется главный принцип
CALS/ИПИ, который заключается в том, что однажды возникшая
информация сохраняется в интегрированной информационной среде и становится доступной всем участникам ЖЦ в соответствии с
существующими правилами доступа к информации. Актуальной
проблемой является эффективность управления большими объемами информации на всех стадиях ЖЦ.
Можно выделить две основные проблемы, стоящие на пути повышения эффективности управления информацией.
Во-первых, с увеличением сложности изделий и применением
для их разработки современных компьютерных систем, значительно
увеличивается объем данных об изделии. При этом прежние методы работы с данными уже не позволяют обеспечивать их точность,
целостность и актуальность при сохранении приемлемых временных
и материальных затрат. Во-вторых, увеличение количества участников проекта по разработке изделия (особенно в случае виртуального
предприятия) приводит к возникновению серьезных проблем при обмене информацией между участниками из-за наличия между ними
коммуникационных барьеров (например, из-за несовместимости
компьютерных систем). Основные идеи CALS иллюстрирует рис. 4.4.
Итак, CALS/ИПИ представляет собой логически структурированный набор принципов и технологий, реализующих стратегию
построения ЕИП, поддерживающую ЖЦ сложных изделий.
При интеграции всех данных об изделии в рамках ЕИП применяются специализированные программные средства – системы
управления данными об изделии (PDM).
Стандарты единого информационного пространства предназначены для интеграции всех программных систем, используемых
участниками жизненного цикла изделия (рис. 4.5).
1. Функциональные стандарты:
– IDEF0 – методология функционального моделирования;
– WfMC – Workflow Management Coalition – способ представления и обмен данными о потоках работ, стандарты календарного
планирования;
– ISO 9000 – международные стандарты качества.
2. Информационные стандарты:
– ISO 10303 STEP – стандарт для обмена данными об изделии;
108
Создание
ЕДИНОГО
ИНФОРМАЦИОННОГО
ПРОСТРАНСТВА
– Повышение эффективности
процессов ЖЦ
– Повышение эффективности
взаимодействия между
участниками ЖЦ
– Преодоление
информационного хаоса
– Преодоление коммуникационных барьеров
– Снижение временных
и материальных затрат
– Повышение степени удовлетворения потребностей заказчика
Повышение
конкурентоспособности
изделия
$
Рис. 4.4. Основные идеи CALS/ИПИ
Стандарты
– Стандарты ЕИП предназначены
на интерфейс
для интеграции всех программных пользователя
систем, используемых участниками
ЖЦ изделия
– Функциональные стандарты
– IDEFO
– WfMC
– ISO 9000
– Информационные стандарты
– ISO 10303 STEP
– ISO 13584 PLIB
– ISO 15531 MANDATE
– Стандарты на программную
архитектуру
– CORBA
– DCOM
– SDAT
– Коммуникационные стандарты
– Internet
Стандарты
на интерфейс
пользователя
Функциональные
стандарты
Система
«А»
Информационные
стандарты
Система
«Б»
Стандарты
на программную
архитектуру
Коммуникационные
стандарты
– Стандарты на интерфейс
пользователя
– MIL-M-87268
Рис. 4.5. Стандарты единого информационного пространства
109
– ISO 13584 PLIB – стандарт на описание каталога деталей;
– ISO 15531 MANDATE – стандарт для описания производственной среды;
– ISO 15926 OIL&GAS – стандарт описания изделий для нефтегазовой промышленности;
– NATO CALS Data Model – стандарт НАТО для описания информационной модели изделия;
– MIL-D-87269 – стандарт на структуру базы данных для интерактивного электронного технического руководства на изделие.
3. Стандарты на программную архитектуру:
– CORBA;
– DCOM;
– SDAI.
4. Коммуникационные стандарты:
– Internet.
5. Стандарты на интерфейс пользователя:
– MIL-M-87268.
4.3. Реализация задачи интеграции PDM-системы и системы
управления проектами
Электронные модели изделий, процессов и ресурсов
На каждой стадии ЖЦ изделия требуется конкретный объем
данных, определяемый содержанием решаемых задач. Совокупность этих данных можно представить в виде частных информационных моделей изделий, процессов и ресурсов, соответствующих
различным стадиям ЖЦ изделия (рис. 4.6).
Множество понятий и присущих им атрибутов образуют модель
частной задачи, а множество отношений между понятиями – логическую основу процедур и алгоритмов обработки данных.
Классификация информационных моделей и их связь со стадиями ЖЦ приведены в табл. 4.1.
Как правило, модель на любом этапе какой-либо стадии ЖЦ
служит только для обмена информацией (например, об изделии),
т. е. является источником первоначальной информации для всех
прикладных систем, использующихся на данном этапе, и собирает
все результаты их работы.
На рис. 4.7 условно показана схема образования интегрированной
модели изделия, включающая в себя множество фрагментов и информационных моделей, отражающих различные аспекты изделия.
110
Виды данных
Изделие
Идентификационные данные
Состав и структура
Геометрическая форма
Материалы
Характеристики
Конфигурация и изменения
Интегрированная
информационная поддержка
Обеспечение качества
Эксплуатация
Производство
Ресурсы
Идентификационные данные
Структура ресурса
Номинальные и фактические
характеристики
Подготовка производства
Процессы
Данные о планируемых процессах
Данные о выполняемых процессах
Данные о результатах выполнения
Данные о событиях и ситуациях
Проектирование
Частные информационные модели
Рис. 4.6. Информационные модели изделия, процессов и ресурсов
Таблица 4.1
Стадия
жизненного
цикла изделия
Информационная модель
изделия
выполняемых
процессов
Проектирова- Концептуаль- Процесса маркение
ная
тинга
Конструктор- Процессов разраская
ботки
Изготовление Организационно-технологическая
Технологическая
ЭксплуатаЭксплуатациция
онная
Модель подготовки
производства
Модель процессов
производства
Модель процесса
технического обслуживания
Модель процессов
ремонта
среды (проектной,
производственной,
эксплуатационной)
Модель маркетинговой среды
Модель проектноконструкторской
среды
Модель производственной среды
Модель технологической среды
Модель эксплуатационной среды
111
Геометрическая
модель
(тип 1)
Другие типы
геометрических
моделей
Чертеж
изделия
Экономические
параметры
Ядро модели
Технологический
процесс изготовления
Физические
свойства
План выпуска
изделия
Другие типы
моделей
Рис. 4.7. Схема построения интегрированной модели изделия
Процесс изготовления изделия представляет собой совокупность последовательно или/и параллельно выполняемых операций, в ходе которых происходит преобразование материальных
или/и информационных потоков в соответствующие потоки с другими свойствами. В ходе этого процесса потребляются финансовые,
энергетические, трудовые и материальные ресурсы и используются
соответствующие данные о ресурсах (рис. 4.8).
Например, на стадии проектирования и разработки используются данные об изделии, о процессе проектирования, о требуемых
организационных и иных ресурсах. Информационная модель технологической подготовки производства трактуется как описание
процесса, использующее данные об изделии и технологических
ресурсах. Информационная модель производства также может
быть представлена как описание процесса, связанного с данными
об изделии и необходимых материальных, финансовых и иных ресурсах. Кроме того, частные информационные модели могут быть
сформированы для специфических точек зрения, например «управление качеством», «обеспечение эффективной эксплуатации» и др.
Совокупность стандартизованных частных информационных
моделей изделия, процессов и ресурсов образует единую интегриро112
РЕСУРСЫ
По типу физической природы
Материальный
Энергетический
Трудовой
Временной
Информационный
Финансовый
По характеру расхода и возобновления
Нерасходуемый
Расходуемый, но возобновляемый
Расходуемый безвозвратно
По способу измерения величины
Измеряемый в количественных
единицах
Измеряемый однозначно
(в логических единицах) –
есть/нет
По профилю доступности
Доступный постоянно
Доступный в соответствии
с ограничением (графиком,
расписанием, договором и т.п.)
Рис. 4.8. Классификационные характеристики ресурсов
ванную модель, обеспечивающую информационную поддержку процессов, выполняемых в ходе его ЖЦ. В стандарте ISO 10303 STEP
такая интегрированная информационная модель названа кратко –
электронная модель изделия (ЭМИ).
Под понятием «электронная модель изделия» подразумевается модель, содержащая всю информацию об изделии, требуемую
на любом из этапов его ЖЦ, а при построении каждого фрагмента
модели используются единые средства и методы построения. При
этом подразумевается также обеспечение целостности всей модели,
описывающей изделие.
С позиций системной архитектуры базовые ЭМИ – это фундамент, на котором могут быть построены автоматизированные системы управления различного уровня. На основе одной и той же
модели ЖЦ и бизнес-процессов решаются задачи анализа эффективности бизнес-процессов и обеспечения качества продукции.
ЭМИ обеспечивает обмен конструкторскими данными между проектировщиком и производителем, является источником информации для расчета потребности в материалах и создания электронных
справочников по эксплуатации продукта и т. д.
ЭМИ обладает следующими особенностями.
1. Фрагменты интегрированной модели изделия могут использоваться в разделенном режиме, т. е. один фрагмент может входить одновременно в несколько интегрированных моделей изделий. Например,
модель изделия (детали) включает в себя данные о свойствах материала, из которого эта деталь изготовлена. Модель другой детали, изготовленной из того же материала, должна включать те же данные и т. д.
113
2. Любое изделие или его компоненты могут быть рассмотрены
с точки зрения различных предметных областей (проектирования,
изготовления, маркетинга, организации, логистики, эксплуатации
и др.). Поэтому различные фрагменты интегрированной модели создаются с использованием разных программных продуктов, автоматизирующих различные предметные области. Виду того, что некоторые предметные области пока не автоматизированы, процесс создания интегрированной модели изделия является дискретным с точки
зрения многообразия охватываемых предметных областей. В то же
время потребители интегрированной модели изделия должны иметь
возможность выделения из интегрированной модели изделия той
информации, которая относится именно к их предметной области.
3. Интегрированная модель изделия имеет большой объем и
включает в себя фрагменты, относящиеся к различным предметным областям. Вследствие этого процесс создания интегрированной модели является также дискретным с точки зрения ЖЦ изделия: отдельные фрагменты интегрированной модели создаются и
включаются в нее на разных этапах ЖЦ изделия. При этом необходимо хранение всех фрагментов интегрированной модели изделия
независимо от того, на каком этапе ЖЦ изделия данный фрагмент
был создан. Например, эскизный проект изделия не отменяется с
появлением технического проекта, а появление изменения в конструкции производящегося изделия не означает, что описание конструкции ранее произведенных изделий не должно сохраняться.
Указанные особенности ЭМИ обосновывают принцип ее модульного построения. Под модулем понимают такую часть целого, замена которой требует минимума действий, поэтому каждый из
фрагментов модели должен представлять собой модуль.
Модульность интегрированной модели требует наличия средств,
описывающих состав модулей, их основные параметры (дату возникновения, ответственных, предметную область, права доступа
и т. д.), взаимоотношение модулей – это метаданные, т. е. данные,
описывающие данные. Данные, описывающие модули, формируют
структуру интегрированной модели изделия, поэтому они являются структурными метаданными.
Многообразие предметных областей, охватываемых ЭМИ, требует наличия данных, описывающих эти предметные области. Такие данные по отношению к данным об изделии являются словарными метаданными.
На основании изложенного можно сделать вывод, что ЭМИ должна обладать следующими свойствами: модульность; неуничтожа114
емость данных; наличие структурных и словарных метаданных;
множественность предметных областей и предметная ориентация.
Аккумулирование всей информации об изделии, создаваемой
прикладными системами, в единую логическую модель – ЭМИ –
является задачей PDM-системы. Для того чтобы служить единым
источником информации об изделии, ЭМИ должна удовлетворять
ряду требований:
– состав данных должен соответствовать потребностям в конструкторской информации на всех стадиях жизненного цикла;
– обеспечивать возможность поддержки установленных регламентов и процедур процесса проектирования в части доступа к данным, их использования и модификации;
– средства поддержки электронной модели изделия должны обеспечивать возможность параллельного проектирования;
– состав данных и средства поддержки должны обеспечивать
управление конфигурацией изделия;
– средства поддержки электронной модели изделия должны обеспечивать преобразование информации, получаемой из различных
источников в стандартный электронный вид.
Перечисленные требования реализуются на основе использования прикладных систем в виде стандартных интерфейсов. Стандартные интерфейсы взаимодействия компьютерных систем можно разделить на четыре группы:
1) функциональные стандарты. Задают организационную процедуру взаимодействия компьютерных систем; пример: IDEF0;
2) стандарты на программную архитектуру. Задают архитектуру программных систем, необходимую для организации их взаимодействия без участия человека; пример: CORBA;
3) информационные стандарты. Задают модель данных об изделии, используемую всеми участниками ЖЦ;
4) коммуникационные стандарты. Задают способ физической
передачи данных по локальным и глобальным сетям; пример:
Internet-стандарты.
Рассмотрим требования к ЭМИ подробнее.
Состав данных должен соответствовать потребностям в
конструкторской информации на всех стадиях жизненного цикла. PDM-системы – это автоматизированные системы для поддержки ЭМИ. Совокупность ЭМИ составляет комплект конструкторскотехнологических документов (КТД) в электронном виде. Документы получают подписи, это показывает изменение статуса документа и позволяет организовать маршрут документооборота.
115
В основном под документооборотом подразумевается документооборот КТД, но система позволяет редактировать маршруты документооборота и реализовать произвольный, например канцелярский
(регистрация входящих и исходящих писем), внутренний (приказы,
распоряжения, протоколы совещаний, докладные записки). Для информационной модели ЭМИ разработан стандарт ISO 10303 STEP.
В соответствии с эти стандартом конструкторская модель включает
в себя геометрические данные, данные о конфигурации изделия, административные данные (подписи, статусы), неструктурированные
данные (составные документы из нескольких файлов, рассматриваемых как один документ, например многостраничный).
Средства поддержки ЭМИ должны обеспечивать возможность
соблюдения регламентов и процедур процесса проектирования. То
есть, документооборот КТД должен быть построен на основе общепринятых ГОСТов, устоявшихся международных стандартов (вроде IGES, Gerber, и т. п.). Это необходимо для обеспечения целостности и корректности ЭМИ: изменения моделей должны происходить
в управляемых условиях, в соответствии с принятыми регламентами, например процессом изменения по извещениям на изменение.
Средства поддержки ЭМИ должны обеспечивать возможность
параллельного проектирования. Параллельное проектирование означает, что с одной стороны, PDM система должна позволять работать с моделью ЭМИ в рамках групповой работы команды совместно, одновременно (например, один конструктор разрабатывает
одну подсборку, второй другую, третий при этом работает с самой
моделью-сборкой в целом). С другой стороны, параллельность означает, что информация, полученная на одном этапе проектирования немедленно становится доступной для решения других задач.
Например, по разработанной конструкторской документации подсборки можно начинать разрабатывать ТП, не дожидаясь готовности всей сборки в целом.
Средства поддержки ЭМИ должны обеспечивать управление
конфигурацией. Такие изделия как прибор, электронное устройство,
характеризуются многовариантным составом и конфигурацией. Это
означает, что изделие может иметь несколько модификаций в соответствии с требованием заказчика (варианты исполнения), может
состоять из различных элементов в зависимости от условий производства, эксплуатации и материально-технического снабжения.
Стандарт ISO 10303 STEP и его подраздел AP203 определяет представление конструкторских данных об изделии согласно концепции
управляемой конфигурации. Термин «управляемая конфигурация»
116
означает возможность определения комплектации изделия в зависимости от условий проектирования, производства или заказа. Современный рынок все больше поворачивается лицом к потребителю,
сам продукт становится всё более конфигурируемым и настраиваемым, вплоть до позаказной конфигурации под каждый заказ отдельно. Более того, согласно стандартам обеспечения качества ISO
серии 9000, поставщик обязан предоставить потребителю возможность выбора комплектации изделия. При этом не любая возможная
комбинация опций допустима: например, при сборке компьютера
из комплектующих слишком большой вентилятор может не помещаться с этой моделью памяти, или видеокарта может не помещаться в этот корпус. Поэтому при управлении конфигураций требуется
отслеживать конфигурации, не приводящие к конфликтам, к проблемам в сборке в целом. В PDM-системе Search управляемая конфигурация называется комплектом. Конфигуратор комплектов позволяет собрать конфигурацию и проверить её на конфликты, затем
сохранить как единое целое, типовой комплект/конфигурацию.
Средства поддержки ЭМИ должны обеспечивать преобразование информации, получаемой из различных источников в стандартный электронный вид. В процессе проектирования ЭМИ наполняется данными, при этом не все данные могут быть получены
сразу в желаемом виде. Средства поддержки должны обеспечивать
преобразование информации, получаемой из различных источников, в стандартизованную форму. Это означает унификацию
используемых форматов (например,.doc,.docx для файлов Word,
стандартные форматы для картинок).
В общем случае информация об изделии может быть получена
из следующих источников:
– непосредственно в формате STEP из систем CAD/CAM;
– преобразованием форматов электронных данных, полученных
в различных автоматизированных системах;
– путем сканирования бумажной документации и ее перевода в
электронный вид. Как правило, это чертежи и текстовые документы: пояснительные записки, отчеты и т. д.
Такие документы, как правило, хранятся в форматах PDF.
В дальнейшем могут быть распознаны и преобразованы в формат
какой-то CAD системы.
О потребителе. Поскольку потребитель тоже является полноправным участником ЖЦ изделия, необходимо обеспечение для
него доступа в ЕИП. Однако использование для этих целей PDMсистемы нецелесообразно в силу ее большой стоимости и значитель117
ного срока внедрения и освоения. К тому же, если потребитель эксплуатирует изделия от разных поставщиков, ему придется иметь
дело с разными ЕИП и, соответственно, разными PDM-системами.
Учитывая это, а также то, что потребителю необходимы только
эксплуатационные данные об изделии, в качестве средства доступа
к ЕИП он будет использовать не PDM-систему, а ИЭТР. ИЭТР разрабатывается поставщиком, обеспечивает доступ потребителя к эксплуатационной информации об изделии в ЕИП и имеет стандартный интерфейс пользователя (например, согласно MIL-M-87268),
что позволяет сотрудникам эксплуатирующей организации одновременно обслуживать изделия от разных поставщиков.
Интеграция PDM и PPE
Если рассматривать совместно PDM-систему и систему управления проектами, то обязательно нужно учитывать, что существуют области, где функциональные возможности обеих систем перекрываются (например, организационная структура в PDM-системе
должна соответствовать структуре трудовых ресурсов в системе
управления проектами). Также нужно учитывать и то, что существует достаточно большое количество данных, специфичных для
каждой из систем. В целом функции PDM-системы и системы
управления проектами пересекаются в незначительной степени.
Например, система управления проектами решает задачи управления ресурсами, сроками и стоимостью проекта, а PDM-система не
рассматривает их вовсе, в то же время PDM-система осуществляет
управление данными и связанными с ними документами, управление правами доступа в зависимости от структуры изделия, управление процессом передачи данных.
Для решения проблемы интеграции PDM-системы и системы
управления проектами (PPE) необходимо:
– решить методическую задачу, т. е. какие данные необходимо
передавать между системами. Обязательно должна быть предусмотрена обратная связь;
– синхронизировать организационные структуры PDM-системы
и PPE. Должна быть решена задача соответствия между структурой ресурсов в PPE и организационной структурой в PDM-системе;
– обеспечить управление планированием, которое должно происходить в PPE, дополнив управлением правами доступа по структуре изделия и их наследования, что достаточно актуально для
промышленных предприятий. В PDM-системе при планировании
118
необходимо учитывать продолжительность и стоимость работы
каждого исполнителя;
– организовать единообразие управления процессами разработки, согласования и доработки документов, связанных с изделием в
PPE и в PDM-системе в рамках календарно-сетевого графика.
В рамках потока работ (workflow – WF) очень сложно описать
весь жизненный цикл проекта (нельзя объединить отдельные этапы проекта). Следовательно, WF, реализуемый с помощью PDMсистемы, целесообразно использовать на небольших отрезках времени, а именно для стандартных достаточно формализованных
коротких процессов [3]. Основная идея интеграции PPE и PDMсистемы состоит в том, что необходимо консолидировать отдельные
процессы с помощью календарно-сетевого графика. То есть каждая
работа в PPE представляется отдельным WF в PDM-системе.
Для реализации интеграционного решения необходимо выделить атрибуты работы из календарно-сетевого графика, которые
будут наследоваться в WF:
– срок старта работы;
– величина отклонения от планового срока старта (в числе дней
со знаком + или -);
– длительность работы (необходима для оценки длительности
задач процесса);
– информация об элементах работы;
– коды, назначенные на работу и элементы работы (определяют,
какой шаблон процесса должен быть выбран в PDM-системе);
– ресурсы, выделенные для выполнения работы.
Рассмотрим концепцию интеграции подробнее. На рис. 4.9 показана концептуальная схема совместной работы PPE и PDM-системы.
Большими стрелками показаны основные направления передачи
информации. Рассмотрим изображенные потоки информации.
Шаблоны проектов и процессов создаются на основании стандартов предприятия и хранятся в базе данных. Информация о ключевых моментах шаблона процесса через интеграционный модуль
передается в PDM и преобразуется в информацию о шагах работы.
На основании шаблонов процессов в PDM-системе инициируются
соответствующие процессы – назначаются конкретные исполнители, уточняется длительность работ. На основании шаблона проекта
создается проект – происходит пересчет длительностей и трудозатрат в зависимости от сложности проекта, определяются календарные сроки, для выполнения работ выделяются ресурсы. Успешно
выполненные проекты сохраняются в базе данных в виде шаблонов.
119
Уровень шаблонов
Шаблоны проекта
Проект
Уровень моделей
ЕСКД, ЕСТД, ЕСТПП, СРПП
Система управления
проектами (РРЕ)
Интеграционный модуль
Процесс
Модуль управления
потоками работ
PDM-системы
Шаблоны
процесса
СТО (стандарты организации)
Документы системы качества
(ДПР, РД, инструкции)
Рис. 4.9. Концептуальная схема совместной работы PPE
и модуля управления WF в PDM-системе
При планировании и реализации конкретного проекта информация посредством интеграционного модуля передается между
PPE и PDM-системой. Рассмотрим этот процесс подробнее.
1. Производится планирование всего проекта – планируются работы, которые необходимо выполнить для достижения целей проекта, и разрабатывается календарно-сетевой график.
2. Выполняется, в соответствии с календарно-сетевым графиком, детализация работ по проекту отдельными WF в PDM-системе
(указываются необходимые шаблоны).
3. Производится выбор необходимых шаблонов из базы шаблонов, построенных на основании выполненных или виртуальных
бизнес-процессов предприятия.
4. После запуска проекта в PPE ресурсы закрепляются за теми
работами, на которые они выделены. Эти ресурсы соответствуют
ответственным исполнителям в PDM-системе. То есть ответственным исполнителям направляются уведомления о необходимости
начала работ (запуска определенных процессов), где указываются определенные атрибуты (ранний старт и поздний старт работы,
длительности и необходимый шаблон).
5. Организуется формирование уведомлений на основании календарного графика. Подобные уведомления должны формиро120
ваться для всех выделенных ключевых событий, попадающих в
определенный интервал времени от текущей даты проекта (например, разработка ТЗ, определенных видов конструкторских документов, инструкций и т. д.). Работы, попавшие в этот промежуток
времени, ожидают от PDM-системы сигнала о фактическом начале
работы. Этот сигнал должен формироваться при запуске процесса.
6. Выполнение мониторинга фактического состояния работ по
проекту. Для контроля выполнения работы, необходимо отслеживать ее фактическое состояние. В PPE есть возможность разбивать
работы на шаги – по ним может оцениваться процент выполнения
работы. Шаги можно связать с ключевыми событиями выполнения
WF (необходимо установить триггеры, формирующие сигналы на
обновление состояния работы в календарно-сетевом графике).
Управление хранением данных и документов
В PDM-системе применяются два основных способа хранения
данных:
– в виде объектов, обладающих определенным набором свойств
и значениями этих свойств (например, объектом может быть деталь, а его свойствами могут быть ее длина, ширина, высота и т. п.);
– в виде целостных документов, содержащих необходимые данные (например, документом может быть файл САПР).
В то же время документ сам является объектом в системе, имеющим определенные свойства.
Для удобства использования хранение всех объектов и документов организовано посредством каталогов или папок, аналогично
файловой системе компьютера. При этом документ может храниться как самостоятельно, так и быть привязанными к другому объекту системы (например, к детали).
В идеальном варианте документы в PDM-системе являются
электронными документами, т. е. снабжены электронной подписью и имеют юридическую силу. В нашей стране использование
электронных документов пока тормозится отсутствием соответствующей законодательной базы.
Основным принципом хранения данных в PDM-системе является то, что любые данные хранятся только один раз (без логической
избыточности) в защищенной системе, называемой хранилищем
данных. Копии эталонных данных из хранилища могут свободно
распространяться среди пользователей в различных отделах для
разработки, анализа или утверждения. По окончании этих процес121
сов новые данные снова заносятся в хранилище. При проведении
изменения данных новая их редакция, сопровождаемая подписью
и датой, помещается в хранилище и существует там наряду со старой редакцией данных, которая в любом случае остается в хранилище в своей первоначальной форме.
Данные и документы хранятся в специальной системе Хранилище Данных, которая обеспечивает:
– целостность данных;
– контроль доступа;
– поиск;
– архивирование.
Целостность данных в хранилище обеспечивается за счет того,
что если между какими-либо данными существует фактическая
взаимосвязь, эта взаимосвязь может быть отображена в электронной модели изделия. Так, при наличии твердотельной модели детали или сборки значительная часть остальной информации (результаты анализа, технология производства, модель оснастки и т. п.)
создается на ее основе и связана с исходной моделью.
При управлении доступом к данным в хранилище PDM-система
должна осуществлять авторизацию этого доступа. Помимо процедур идентификации и аутентификации пользователя, входящего в
систему, существует два направления авторизации доступа.
1. По правам доступа. Каждому пользователю в зависимости от
его статуса в организации (главный конструктор, технолог, нормоконтролер) присваиваются определенные права, состоящие в возможности выполнения определенных операций над данными (просмотра,
изменения, утверждения и т. п.). Кроме того, могут быть образованы
группы пользователей, и права могут быть присвоены целой группе.
2. По статусу данных. Данным в хранилище присваивается некоторый статус, который может определять как набор операций,
которые можно над этими данными выполнить (например, только
просмотр), так и пользователей и групп пользователей, которые
могут эти операции выполнять. Обычно в системах применяется
комбинация из этих двух направлений.
Важным аспектом обеспечения доступа к данным являются возможности поиска нужной информации. PDM-система должна обеспечивать как поиск по значениям свойств хранимых объектов (например, поиск изделий с заданными идентификаторами или поиск
изделий, обладающих заданными характеристиками), так и поиск
по хранящимся в системе документам. В частности, для текстовых
документов необходимо наличие полнотекстового поиска по всему
122
документу. Некоторые системы позволяют проводить поиск по расположению геометрических объектов твердотельной модели изделия.
Для визуализации и обработки данных, находящихся в хранилище, PDM-система может воспользоваться либо встроенными функциями (например, визуализация и редактирование конструкторского графа), либо внешними прикладными системами (например,
САПР для просмотра и изменения геометрической модели изделия).
Управление процессами
Функции управления процессами в PDM-системе предназначены для контроля способов создания и изменения данных. Может
показаться, что «управление процессами» является лишь новым
названием для уже известного «календарного планирования», однако это не так. Календарное планирование занимается лишь распределением задач по ресурсам (или наоборот), а управление процессами касается поддержки процедур жизненного цикла и их влияния на данные об изделии.
Среди функций управления процессами можно выделить три основные группы:
– управление работой. Эти функции касаются того, что происходит с данными, когда кто-либо над ними работает (рис. 4.10);
– управление потоком работ. Эти функции управляют передачей данных между людьми;
Хранилище
данных
– изменение
данных
Версии
Документа 1
Версии
Документа 3
– просмотр
данных
Версии
Документа 2
Клиент «А»
Клиент «Б»
Клиент «В»
Рис. 4.10. Управление работой
123
– протоколирование работы. Эти функции отслеживают все события и действия, которые происходят при выполнении первых
двух групп функций в течение всей истории проекта.
Управление работой
Схема управления работой приведена на рис. 4.10.
PDM-система выступает в качестве рабочей среды пользователя:
– управляет версиями данных и документов;
– управляет папками с данными и документами.
Например, использование САПР позволяет сотруднику создать
огромное количество слегка отличающихся друг от друга моделей.
В результате сотрудник и его коллеги могут запутаться в созданных
файлах. Чтобы этого не случилось, PDM-система должна тщательно
отслеживать и брать под свой контроль все новые или измененные
данные, как только они были созданы. Основным методом в этом случае является отслеживание версий этих данных и управление ими.
При таком подходе можно не только найти последнюю версию объекта, но и проследить историю его появления и, если необходимо, даже
вернуться на несколько шагов назад при обнаружении ошибки.
Еще одна проблема, возникающая при совместной работе над проектом изделия, – обеспечение одновременного доступа к некоторому
объекту сразу нескольких сотрудников предприятия. PDM-система
также поддерживает концепцию папок, которая, с одной стороны,
эмулирует традиционный бумажный подход и делает среду работы
более привычной для сотрудника, а с другой – позволяет избежать
многих проблем, характерных для бумажного документооборота.
Во-первых, при совместной работе над проектом необходимо исключить ситуации, когда сразу несколько сотрудников изменяют один и
тот же объект или документ, так как это может привести к потере части данных. PDM-система решает эту проблему, позволяя одновременно изменять некоторый объект или документ только какому-нибудь
одному сотруднику. Это обеспечивается за счет того, что процедура
изменения объекта или документа в PDM-системе является формальной (процедура «check-in/check-out»). Перед тем, как изменить объект
или документ, сотрудник обязан «взять» его на редактирование, что
блокирует объект или документ от изменения любым другим пользователем системы. При этом исходная версия данного объекта или документа остается доступной всем авторизованным сотрудникам для
чтения. По окончании изменения (или в случае отказа от изменения)
сотрудник «возвращает» объект или документ с редактирования и, таким образом, снимает блокировку объекта от изменения.
124
Во-вторых, сотруднику, выполняющему некоторое задание,
может потребоваться привлечь других членов проектной команды
для консультации. Например, конструктор, создающий проект детали, может захотеть проконсультироваться с технологом еще до
формальной передачи детали на разработку технологических процессов. PDM-система позволяет организовать одновременный просмотр объекта или документа сразу несколькими сотрудниками и
обеспечить их совместную работу над проектом.
В-третьих, совершенно недопустима ситуация, когда сотрудники будут использовать в своей работе устаревшие данные. Это
может стать результатом изменения объекта или документа, присутствующего сразу в нескольких папках, одним из сотрудников.
PDM-система обеспечивает оповещение всех заинтересованных сотрудников об изменении объекта или документа, а также немедленно предоставляет им обновленную версию объекта или документа в
их собственных папках.
Управление потоком работ
Управление потоком работ – управление передачей данных, документов и задач между участниками проекта, заключается в следующем:
– моделирование потока работ при помощи маршрутного листа
папки;
– отслеживание руководством хода проекта;
– контроль взаимозависимости работ проекта.
В течение разработки изделия для каждой детали данные должны быть созданы, изменены, просмотрены, проверены и утверждены многими различными людьми и, возможно, по несколько раз.
Модификация практически любых данных будет оказывать влияние на другие связанные с ними данные. В результате для проекта в
целом бывает очень сложно определить, кто чем должен заниматься в дальнейшем и, самое главное, какие данные он должен для этого использовать. В данной ситуации задачей PDM-системы является упорядочивание всего потока работ в проекте. Это означает, что
PDM-система с помощью заложенных в нее правил должна анализировать уже сделанную работу и на основе этого анализа определять, какой сотрудник какую работу должен дальше выполнять, а
также предоставлять данные сотруднику для выполнения этой работы. Кроме того, в функции PDM-системы входит оповещение сотрудников о необходимости выполнения ими той или иной работы.
125
При передаче задачи между сотрудниками, подразумевающей и
передачу необходимых для выполнения задачи данных, PDM-система
предполагает использование тех же самых папок. Для реализации
этого для всех информационных процессов предприятия в PDMсистеме строится модель потока работ, т. е. модель движения папки с
данными между сотрудниками, называемая еще маршрутом движения папки. Точки этого маршрута определяют состояния папки. Кроме того, должны быть заданы условия изменения состояния папки,
т. е. условия перехода папки из одной точки маршрута в другую.
В общем случае одна папка представляет одну задачу или работу
в проекте по разработке изделия, который может содержать тысячи
таких задач. Каждая папка имеет свой маршрут движения в системе,
однако необходимо также отслеживать и взаимосвязи между папками (задачами). Для управления потоком работ требуется возможность задавать взаимозависимости задач в соответствии со структурой проекта. Например, PDM-система может позволить задать ограничение, при котором конструктор не может утверждать сборку до
того, как будут утверждены все входящие в нее компоненты.
Возвращаясь к состояниям папки, следует заметить, что от того,
как реализован способ задания состояний папки (задачи) в PDMсистеме, зависит гибкость, предоставляемая PDM-системой участникам проекта.
Наиболее строгие системы привязывают к каждому сотруднику
или группе сотрудников некоторое состояние данных: «инициированы», «представлены на рассмотрение», «проверены», «утверждены», «выпущены» и т. п. Таким образом, данные не могут быть
переданы от одного сотрудника или группы следующему сотруднику или группе без изменения их состояния.
Другие системы позволяют присваивать состояния самой задаче, отделяя его от людей или групп, над этой задачей работающих.
Результатом упорядочивания потока работ в проекте является
повышение его прозрачности и управляемости для руководителя.
PDM-система дает возможность посмотреть, кто что сделал, делает или должен сделать, оценить весь поток работ на наличие узких
мест, определить причину задержки при выполнении проекта.
Протоколирование работы
Протоколирование работы – отслеживание и фиксация истории
развития проекта. Протоколирование работы необходимо:
– для сертификации на соответствие ISO 9000;
126
– для отката к определенной точке в истории проекта.
PDM-системы по-разному протоколируют работу.
Некоторые из них просто записывают изменения собственности
данных. Таким образом, может быть прослежена история смены
собственника данных, но не изменение самих данных. Другие системы имеют возможность хранить изменения данных, но делают
это с помощью серии моментальных снимков данных, сделанных
при изменении данными своего состояния. Это все равно оставляет
серьезные пробелы в истории работы, так как пользователь мог проводить изменения данных в течение нескольких недель без изменения их состояния. Наконец, наиболее продвинутые системы хранят
архивные записи, похожие на двигающуюся картинку, так как они
могут записывать изменения на любом заданном уровне, например,
каждый раз, когда пользователь сохраняет файл в прикладной системе. Этот уровень протоколирования изменений также позволяет
отслеживать производительность отдельных сотрудников, что является особенно ценным при требовательных ко времени проектах.
Календарное планирование. Календарное планирование заключается в следующем:
– разбиение проекта на отдельные задачи;
– задание взаимосвязей между задачами;
– распределение ресурсов между задачами;
– отслеживание хода проекта.
Функции календарного планирования в PDM-системе аналогичны основным функциям специализированной системы календарного
планирования. Эти функции включают управление структурой работ проекта по созданию изделия, предполагающей разбиение всего
проекта на совокупность задач. Структура работ проекта может быть
сгенерирована на основе конструкторской структуры изделия. Кроме
того, PDM-система должна предоставлять возможность задания взаимосвязей между различными задачами, распределения имеющихся ресурсов по задачам, а также отслеживания хода выполнения отдельных задач и проекта в целом и выявления аномалий.
В настоящее время в большинстве PDM-систем функции календарного планирования реализуются через интеграцию PDMсистемы и какой-либо коммерческой системы календарного планирования.
Вспомогательные функции. Помимо перечисленных выше основных функций, PDM-системы должны обладать вспомогательными функциями, которые обеспечивают работу PDM-системы, ее
взаимодействие с другими прикладными системами и с пользовате127
лями, а также пользователей системы между собой. Вспомогательными функциями PDM-системы являются:
– коммуникационные функции. Эти функции предназначены
для облегчения процедуры общения пользователей между собой и
включают, например, электронную почту для передачи информации и оповещения о событиях и заданиях;
– функции транспортировки данных. Эти функции предназначены для перемещения данных (документов) из хранилища в прикладную систему (например, САПР) и обратно;
– функции трансляции данных. Эти функции предназначены
для перевода хранящихся в PDM-системе данных из одного формата в другой. Это может потребоваться при необходимости открыть
с помощью прикладной системы файл, записанный в формате другой прикладной системы, либо чтобы перевести данные об изделии
в стандартный формат, типа STEP;
– функции обработки изображений. Эти функции предназначены для управления изображениями, хранимыми в PDM-системе,
доступу к ним и их просмотру. Отдельную нишу занимают функции визуализации трехмерных моделей изделия, созданных в какой-либо САПР;
– функции администрирования. Эти функции предназначены
для управления самой PDM-системой, управления системой безопасности, управления редко меняющимися данными (например,
структурой классификаторов), настройки системы, мониторинга
ее функционирования и т. п.
4.4. Интеграция структур данных
и работа интегрированной системы
PDM-система как средство интеграции
Наряду с рабочей средой сотрудника предприятия, другой большой функцией PDM-системы является интеграция данных об изделии на протяжении всего жизненного цикла. Фактически на
предприятии существует два центра интеграции данных: АСУП и
PDM-система (рис. 4.11).
АСУП интегрирует данные о ресурсах предприятия, требуемых
для его функционирования, тогда как PDM-система интегрирует данные о продукте деятельности предприятия. Кроме того, на
предприятии существуют прикладные компьютерные системы, основной задачей которых является создание и обработка данных об
128
PDM
САПР
АСУП
АСУТП
другие
Рис. 4.11. PDM-система как средство интеграции
изделии. Таким образом, можно выделить два направления интеграции данных на предприятии: вертикальная интеграция и горизонтальная интеграция.
Вертикальная интеграция предполагает интеграцию PDMсистемы и прикладных систем. Ее суть состоит в том, что данные
об изделии, созданные прикладными системами, передаются на
хранение в PDM-систему, а при необходимости их обработки или
изменения, передаются обратно в прикладные системы, после чего
вновь должны быть возвращены в PDM-систему. При этом PDMсистема обеспечивает контроль целостности, полноты и актуальности данных об изделии.
Горизонтальная интеграция предполагает интеграцию PDMсистемы и АСУП. Задачей такой интеграции является создание и
поддержание полной информационной модели предприятия, включающей как данные о продукте деятельности предприятия, так и о
ресурсах предприятия. Одним из основных преимуществ такой модели является исключение повторного ввода данных при переходе
изделия с этапа разработки (который контролируется в основном
PDM-системой) на этап производства (который контролируется в
основном АСУП).
Примером данных, передаваемых из PDM-системы в АСУП, может служить состав изделия. Важным компонентом «бесшовной»
интеграции на предприятии является поддержка PDM-системой
произвольного набора характеристик объектов, что позволяет интегрировать PDM-систему практически с любой другой компьютерной системой, используемой на предприятии.
Уровни интеграции. Можно выделить несколько уровней интеграции PDM-системы и других компьютерных приложений, работающих на предприятии:
– единая модель данных;
– прямой доступ к базам данных;
129
– прикладные программные интерфейсы;
– конвертеры.
Конвертеры бывают следующие:
– стандартный формат, например STEP;
– формат популярной прикладной системы, например Excel;
– собственный формат.
Синхронизация работы интегрированной системы
Реализуя принцип быстрого создания, проект и процессы формируются на основе соответствующих шаблонов. Шаблоны создаются на основании соответствующих стандартов и хранятся в базе
данных. Выполненные проекты с помощью программного продукта
также можно сохранять в базе данных в виде шаблонов. Шаблоны
проекта могут создаваться на основании таких систем, как СРПП,
ЕСКД, ЕСТД и ЕСТПП. Шаблоны процессов – в соответствии со
стандартами предприятия.
Проблема интеграции – это, прежде всего, проблема интеграции
данных. Должна производиться интеграция четырех структур данных – проекта, процесса, шаблона проекта и шаблона процесса.
В моделях данных должна быть выделена общая, или синхронизируемая, часть. Это следующие структуры:
– организационная структура;
– структура ролей;
– структура ресурсов;
– пользователи;
– структуры кодирования.
Описание основных структур данных:
– проект определяется через совокупность работ, их взаимосвязи, через ресурсы и затраты;
– процесс описывается через совокупность задач, их взаимосвязи, через пользователей (исполнителей) и права доступа;
– шаблон проекта – совокупность работ с оценками по длительности, с оценками трудозатрат, стоимостей ресурсов. Переход от шаблона к проекту – пересчет длительностей и трудозатрат в зависимости
от сложности проекта. В проекте для работ и ресурсов определяются
календари, сроки (планируемые, фактические). На работы назначаются ресурсы из числа выделенных на проект, как трудовые (исполнители), так и нетрудовые (материалы, механизмы, и т. д.);
– шаблон процесса – совокупность задач с привязанными к ним
ролями (ресурсами в терминах системы управления проектами),
130
правами доступа по ролям, длительностями задач. Переход от шаблона процесса к процессу будет осуществляться путем назначения
конкретных исполнителей на задачи, для задач появятся даты начала и окончания.
Этапы работы интегрированной системы
Укрупнено этапы работы интегрированной системы можно
представить следующим образом:
– выбирается шаблон проекта;
– в СУП производится календарно-сетевое планирование;
– проект инициируется;
– каждая задача проекта детализируется соответствующим WF.
Предлагается следующий подход к построению шаблонов процессов к конкретной работе: по кодам работ выбирается шаблон процесса. Каждому сочетанию кодов соответствует определенный шаблон.
Получается многомерная матрица, узлы которой определяют выбор шаблона процесса. На процесс можно накладывать различные
ограничения, например повышенная сложность. В таком случае
вводятся коэффициенты, которые увеличивают либо длительность
работ процесса, либо стоимость ресурсов. В результате получается
два шаблона: первый – это шаблон с увеличенной длительностью,
а второй – шаблон с увеличенной стоимостью. Подобных ограничений может быть достаточно много. Следовательно, вместо одного
шаблона для конкретной комбинации кодов возникает целый ряд
шаблонов процесса. Выбор наиболее оптимального шаблона можно
осуществить с использованием методов оптимизации.
На рис. 4.12 приведен пример подбора шаблонов для конкретных
работ проекта (случай определения двух кодов работ). Например, код
1 – это «этап жизненного цикла проекта», его значениями могут быть:
– эскизное проектирование;
– техническое проектирование;
– разработка конструкторской документации.
Код 2 – это «метод разработки», его значения:
– разработка «с нуля»;
– разработка на основании существующего аналога;
– модификация изделия.
Очевидно, что для эскизного проектирования и технического
проектирования стандартами предприятия предопределены различные процедуры, следовательно, работы с соответствующими
кодами детализируются разными процессами. В то же время, на131
КОД 1:
КОД 2:
Разработка
«с нуля»
Разработка на
основе своего
аналога
Разработка на
основе чужого
аналога
Модификация изделия
Эскизное проектирование
Технический
проект
Разработка
конструкторской документации
Разработка
технологической документации
ШАБЛОН
ШАБЛОН
ШАБЛОН
ШАБЛОН
ШАБЛОН
ШАБЛОН
Рис. 4.12. Подбор шаблонов для работ проекта в случае определения
двух кодов работ (КОД 1 – Этап (подэтап) жизненного цикла,
КОД 2 – Метод разработки)
пример, процедуры разработки конструкторской документации
«с нуля» и на основании существующего аналога различны.
Получается, что для каждой работы со значением кода «этап
жизненного цикла проекта» – разработка конструкторской документации – существует несколько процессов, в соответствии с которыми она может быть детализирована в зависимости от значения
кода «метод разработки».
Рассмотрим задачи PPE на шагах выполнения работ по проекту.
1. После запуска проекта в PDM инициатору процесса направляется уведомление о необходимости начала работ (запуска определенных процессов), где указываются сроки выполнения работы,
длительности и необходимый шаблон процесса. Подобные уведомления формируются для всех работ, попавших в определенный временной интервал от текущей даты проекта, необходимый для формирования папки процесса.
2. При необходимости есть возможность редактирования шаблона
процесса, как до его инициализации, так и после. Каждый процесс
инициируется: назначаются конкретные исполнители на задачу, формируется папка процесса – набор целевых и ссылочных документов.
3. После определения конкретных исполнителей для задач процесса в PDM-системе формируется информация об исполнителях и
времени их работы. Эти данные передаются в PPE и в проекте появляются плановые длительности работ и плановая загрузка ресурсов.
4. Далее, после запуска процесса в PPE передается сигнал о фактическом начале работы.
132
5. Последующие данные о выполнении каждой конкретной задачи процесса также передаются в PPE. Появляется возможность
контролировать выполнение задачи по шагам, которые должны
быть связаны с ключевыми событиями выполнения WF (для этого
нужно установить триггеры, формирующие сигналы на обновление
состояния работы в календарно-сетевом графике).
6. В ходе процесса в PPE уточняется информация в соответствии
с календарно-сетевым графиком и выполняются необходимые корректировки.
7. После выполнения процесса в PPE передается информация о
фактической загрузке ресурсов и фактических сроках выполнения
задач (шагов работы). Используя полученные данные, регистрируются фактические значения, происходит перерасчет расписания.
Управление составом изделия
Управление составом изделия заключается в следующем:
– поддержка информации о составе изделия, его исполнениях и
конфигурациях;
– поддержка различных составов изделия (конструкторского,
технологического, финансового);
– оценка влияния компонента состава изделия;
– управление конфигурациями изделия.
Управление конфигурациями изделия заключается в следующем:
– поддержка применяемости компонентов изделия;
– тесная интеграция с управлением изменения изделия.
Состав изделия является, по сути, основной информацией для любой PDM-системы. Это – скелет всей модели изделия, вокруг которого
строится остальная модель и к которому привязываются практически все остальные данные. Для управления составом изделия PDMсистема должна хранить информацию о входящих в состав изделия
компонентах, а также об исполнениях и конфигурациях изделия.
Для реализации этого PDM-система должна поддерживать данные об отношениях между изделием и составляющими его сборками, а также между сборками и составляющими их сборками нижних уровней и деталями.
В качестве отношений между компонентами могут выступать
не только их физическая связь в изделии типа сборка-деталь, но
и другие типы структур, например технологическая, финансовая,
эксплуатационная, маркетинговая и иные структуры изделия. Таким образом, для специалистов любого отдела (не только конструк133
торов) предоставляется возможность увидеть состав изделия с нужной ему точки зрения, что реально делает PDM-систему рабочей
средой для любого сотрудника предприятия.
Кроме того, с помощью представления структуры изделия, можно представлять информацию об альтернативных и заменяющих
изделиях для некоторого изделия, а также указывать связь между
заготовкой и изделием, которое получается из данной заготовки после выполнения производственных процессов. PDM-система должна позволять оценивать влияние изменений компонента изделия на
другие части проекта либо путем выявления всех сборок, в которых
данный компонент используется (функция под названием где используется), либо путем выявления всех папок, содержащих ссылку на данный компонент (функция под названием кто ссылается).
Классификация. Классификация позволяет:
– упростить поиск и повторное использование данных;
– автоматизировать процесс присвоения идентификаторов изделий.
Мечта любого конструктора, которому поручено спроектировать
новое изделие, состоит в том, чтобы не проектировать это изделие
с начала и до конца, а собрать его из уже спроектированных ранее
компонентов (может быть, лишь слегка изменив их).
PDM-система решает эту проблему, позволяя конструктору найти нужный компонент. Методом решения этой проблемы является
классификация хранящихся в PDM-системе компонентов изделия
(в том числе, стандартных деталей). Смысл классификации состоит
в том, что схожая информация (или информация о схожих объектах) должна быть сгруппирована в классы, имена которых отражают суть объектов, причем классификация, реализованная в PDMсистеме, может быть гораздо более гибкой чем ее бумажный аналог.
При классификации возможно использование атрибутов, выражающих важные свойства объектов, входящих в класс (рис. 4.13).
При занесении компонентов в систему они должны быть отнесены к одному или более классам, структура которых отвечает
нуждам конкретного предприятия. Сами классы могут быть сгруппированы в сложные иерархические деревья или сети. Это, в свою
очередь, позволяет организовать сам перечень компонентов в легко
отслеживаемую иерархическую сетевую структуру.
Каждая деталь может быть снабжена своим набором атрибутов,
который является общим для всех деталей данного класса либо является специфичным только для данной детали. Наличие атрибутов позволяет еще более упорядочить перечень используемых на
предприятии компонентов.
134
Изделия
Электронные
компоненты
Электротехнические
компоненты
Механические
компоненты
Детали
Крепеж
Рис. 4.13. Классификация компонентов
Классификация позволяет значительно упростить поиск изделий, отвечающих определенным характеристикам (или стандартных деталей), что означает увеличение количества повторно
используемых деталей и, соответственно, снижение стоимости и
сроков разработки изделия. Кроме того, с помощью функции классификации PDM-системы возможна организация автоматизированного присвоения обозначений вновь создаваемым компонентам.
Помимо классификации компонентов изделия, PDM-система
должна позволять классифицировать и другие хранящиеся в ней
объекты, например документы, содержащие данные об изделиях.
Примерами классов документов могут быть: «чертежи», «трехмерные модели», «технические публикации» и т. п. Каждый документ
может иметь свой набор атрибутов – номер, автор, дата, версия и т. п.
4.5. Управление конфигурацией изделия
Еще одной важной функцией PDM-системы является управление конфигурацией изделия. PDM-система должна уметь формировать различные варианты комплектации изделия путем задания
правил применяемости входящих в изделие компонентов (причем
разные варианты комплектации одного изделия могут иметь разный состав входящих в них компонентов). Для лучшего управления конфигурацией изделия этот процесс должен быть тесно интегрирован с управлением изменением изделия.
С переходом на позаказное изготовление продукции у предприятий-изготовителей возникает необходимость в отслеживании и
контроле тех производственных процессов, которые необходимы
135
для выпуска изделий, имеющих ряд разновидностей. При этом
должны обеспечиваться требования, предъявляемые заказчиком,
а также максимально возможный уровень унификации компонентов изделия. В первую очередь, это распространяется на конструкторскую подготовку производства.
В интегрированной информационной базе предприятия конфигурация изделия представляется древовидной иерархической структурой, элементами которой являются объекты конфигурации.
Каждый объект конфигурации представляет собой изделие или его
часть, осуществляющую в конечном счете какую-либо функцию).
Заметим, что понятие «конфигурация» здесь используется в более
широком смысле, чем такое его толкование, при котором конфигурация есть внешнее очертание или взаимное расположение предметов либо их частей. Здесь под конфигурацией понимается совокупность функциональных, физических и эксплуатационных свойств
изделия, предлагаемого к разработке, разрабатываемого и уже существующего, сгруппированных в соответствии со структурой данного изделия и отражаемых в документах, соответствующих различным стадиям жизненного цикла этого изделия.
Понятие «конфигурация» может толковаться по-разному в зависимости от контекста, в котором оно применяется, т. е. относительно той области, в которой создается данный объект, на различных стадиях жизненного цикла изделия с различных точек зрения.
Наиболее существенными являются:
– потребительский контекст;
– организационно-производственный контекст;
– конструкторский контекст.
С точки зрения потребителей сложных изделий технология
управления конфигурацией выглядит как многоступенчатый процесс формирования и анализа разнообразных требований к свойствам и структуре конечного изделия, а также многократного подтверждения того, что эти требования выполняются на разных стадиях жизненного цикла изделия.
С точки зрения потребителей технология управления конфигурацией состоит в следующем:
– декомпозиция общих требований к конечному изделию, произведенная таким образом, чтобы выделить из этих требований такие группы, которые можно однозначно сопоставить с конкретными компонентами конечного изделия;
– формирование информационной модели функциональной структуры конечного изделия, состоящей из выделенных компонентов;
136
– сопоставление предъявленных к конечному изделию и к его
выделенным компонентам требований со свойствами конкретных
конструкторских решений, реализующих по предложению разработчика эти компоненты;
– выявление отклонений и принятие решения об изменении конструкции конечного изделия и его компонентов, имеющих своей целью сближение заданных требований и получаемых характеристик;
– проверка корректности информационной модели, отображающей произведенные изменения.
После внесения и соответствующего документирования изменений конструкции конечного изделия и его компонентов процесс
сопоставления требований и реально получаемых свойств может
повторяться. В результате исходная конфигурация изделия может
быть скорректирована, а в пределе полностью заменена.
Эти действия могут повторяться и на последующих этапах жизненного цикла изделия, например, после завершения процесса
проектирования, изготовления и испытаний опытного образца,
установочной серии, головного образца, а также в процессе использования конечного изделия по назначению.
Для обеспечения действий потребительского контекста заказчик и поставщик изделия согласованно назначают специальное
уполномоченное лицо, называемое менеджером по конфигурации
(Configuration Manager). На него возлагается ответственность за
логическую совместимость и достаточность информации об изделии в целом и его компонентах, подготовку отчетности о состоянии
конфигурации конечного изделия, а также за то, чтобы документы, относящиеся к конфигурации конечного изделия, в любой момент времени сохраняли свою актуальность.
С организационно-производственной точки зрения основным
определяющим документом всего комплекса мероприятий по разработке и изготовлению изделия является план управления конфигурацией. Его основной целью является описание мероприятий по
управлению указанным процессом на различных этапах жизненного цикла изделий.
В существующих нормативных документах нет жестких указаний, однозначно определяющих содержание плана по управлению
конфигурацией.
Любой документ может быть принят в качестве такого плана,
если он в необходимой степени отражает информационное содержание процесса управления конфигурацией и учитывает специфику производства конкретного изделия.
137
Конструкторский контекст процесса управления конфигурацией необходимо учитывать с самого начала этого процесса и на
всех стадиях жизненного цикла изделия. С учетом этого контекста
на основании информационной модели, отображающей функциональную базовую конфигурацию, формируется проектная базовая
конфигурация, которая используется в технологическом, производственном, эксплуатационно-ремонтном и других контекстах.
В процессе проектирования изделия целесообразно преобразовать исходную информационную модель в новую, проектную, модель, в которой исходные функциональные компоненты конечного изделия разбиваются на компоненты низших рангов (агрегаты,
узлы или подузлы). Это облегчает принятие технических проектных решений как по конечному изделию в целом, так и по входящим в него компонентам.
В конструкторском контексте общие технические требования
к конечному изделию преобразуются в технические требования и
условия, которым должны удовлетворять компоненты этого конечного изделия.
Для управления конфигурацией конечного изделия в конструкторском контексте используются следующие понятия, принятые в
отечественной промышленности.
Базовое изделие – это изделие, на которое на некоторую дату разработан и утвержден в установленном порядке полный комплект конструкторской документации. Базовое изделие является основой, на
которой разрабатываются различные модификации и исполнения.
Модификация изделия – это разновидность, создаваемая на основе базового изделия в связи с изменением его функциональности,
а именно в связи с ее расширением в сторону большей универсализации, или, наоборот, в связи с ее сужением в сторону большей специализации.
Исполнение изделия – это разновидность изделия, создаваемая
на основе базового изделия в целях обеспечить возможность его использования в специфических условиях окружающей среды либо с
целью удовлетворить специфические требования заказчика.
Примером может служить тропическое исполнение того или
иного изделия.
Базовое изделие и все его разновидности, такие как модификации и исполнения, образуют семейство изделий.
Существуют эмпирические правила, согласно которым выбор
варианта исполнения или той или иной модификации компонента
выбирается предпочтительно унифицированным. Такие правила
138
называются правилами совместимости. Выявление, формулировка и соблюдение этих правил является одной из важнейших сторон
управления конфигурацией.
Проблема выработки таких правил совместимости, называемых
также правилами-«фильтрами», является весьма важной. Эта проблема по своему содержанию является чисто конструкторской, поскольку обоснованно назначить такие правила может только конструктор – разработчик данного изделия. С точки зрения компьютерного управления конфигурацией здесь возникают две задачи:
– создание базы данных, содержащей описания конструктивных компонентов со всеми присущими им атрибутами, свойствами
и характеристиками, а также ссылки на соответствующую техническую документацию; в этой же базе данных могут храниться и
полные описания уже созданных изделий;
– создание базы знаний, содержащей правила совместимости.
Правила совместимости, иначе называемые продукционными
правилами, представляют собой фразы типа [УСЛОВИЕ – ДЕЙСТВИЕ], т. е. «если выполняется [УСЛОВИЕ], то необходимо совершить [ДЕЙСТВИЕ]». Правила совместимости учитывают ограничения, накладываемые, например, конструктивными размерами
изделия, эффективностью применения того или иного изделия и др.
Выполнение правил совместимости заключается в изменении
структуры изделия в соответствии со значением, вкладываемым в
понятие [ДЕЙСТВИЕ].
Эти правила могут храниться в базе знаний, например, в форме
готовых таблиц возможных, т. е. допустимых, конструкторских
решений или же в форме матриц.
4.6. Документация и стандартизация
управления конфигурацией
Конфигурация в целом и составляющие ее объекты конструирования должны быть соответствующим образом документированы,
а эти документы утверждены. В качестве документации конфигурации обычно рассматривают различного рода технические требования, чертежи изделия или массивы электронных данных аналогичного назначения.
На стадии проработки контракта и технического задания формируется функциональная документация, которая должна быть
соответствующим образом утверждена.
139
При построении интегрированной информационной среды изделия следует учитывать существующие международные нормативные документы. Методологическим базисом CALS/ИПИ являются
несколько сот стандартов, которые можно разделить по назначению на функциональные, информационные, технического обмена, по защите информации и общего назначения. Все стандарты по
происхождению подразделяются на четыре группы.
К первой из этих групп следует отнести методологические инструкции и международные стандарты, разработанные Международной организацией по стандартизации (ISO).
Ко второй группе относятся стандарты Организации Североатлантического договора (НАТО).
Третью группу составляют стандарты, разработанные Американским Институтом инженеров по электротехнике и электронике (IEEE).
В четвертую группу входят стандарты, разработанные Министерством обороны США (MIL).
Как пример, рассмотрим содержание базового документа первой группы.
Методологическая инструкция ISO 10007. Эта инструкция состоит из следующих разделов:
– система управления конфигурацией, описания и цели, где
излагаются основные задачи управления конфигурацией, определяется Перечень основных процедур, осуществляемых в рамках
управления конфигурацией;
– процесс управления конфигурацией, где описываются процедуры, осуществляемые в рамках управления конфигурацией, а
именно идентификация, контроль, учет статуса, аудит (проверка);
– организация управления конфигурацией, где определяется организационная структура, реализующая управление конфигурацией, описываются ее основные функции, обязанности и полномочия.
Процедура управления конфигурацией:
1) выбор объекта конфигурирования с учетом заданных критериев;
2) правила нумерации при идентификации объекта конфигурирования;
3) определение функций менеджера по управлению конфигурированием;
4) рекомендации по идентификации, оценке, утверждению и
внесению изменений в конфигурацию изделия;
5) ведение отчетности по конфигурации, механизм согласования и утверждения конфигурации;
140
6) рекомендации по разработке плана управления конфигурацией.
В приложениях к этой инструкции приводится рекомендуемая
структура и содержание плана управления конфигурацией, связь
управления конфигурацией с другими стандартами ISO, пример взаимодействия основных процедур, осуществляемых в рамках управления конфигурацией, на этапах жизненного цикла изделия. Международный стандарт ISO 10303–203 регламентирует схему данных,
набор информационных объектов и их атрибутов, необходимых для
описания конструкции изделия. К этим данным относятся:
– идентификационные данные об изделии, его составе и конфигурации, относящиеся к этапу проектирования;
– данные об изменениях в конструкции и их документировании;
– обозначения страны, отрасли промышленности, предприятия;
– данные о применяемости материалов изделия;
– данные, необходимые для контроля утверждения проекта;
– обозначения поставщиков и их оценка;
– данные о контракте;
– сведения о возможной секретности;
– сведения, используемые или полученные в результате анализа
или испытания.
Для единообразного описания изделий рекомендуется создавать
их информационные модели на базе типовых блоков с использованием специального языка ЕХРRESS-G. Следует иметь в виду, что
этот стандарт относится только к утвержденному и полностью завершенному проекту.
Международный стандарт ISO 10303–44 определяет виды ресурсов, необходимых для управления структурой и составом изделия в
течение его жизненного цикла. Этот стандарт регламентирует:
– описание изделия в соответствии с требованиями потребителя;
– описание отношений между компонентами изделия;
– зависимости между техническими требованиями к изделию;
– управление конфигурацией изделия.
4.7. Этапы работ по управлению конфигурацией изделия
с помощью PDM-систем
Первым из этапов управления конфигурацией изделия является
определение требований заказчика к проектированию изделия, дополняющие ТЗ. На этом этапе используется следующая информация, поступающая из общей базы данных об изделии:
141
– сведения из «Архива готовых решений по компонентам», в которых содержится информация по тем изделиям и их разновидностям, которые с точки зрения заказчика могут рассматриваться как
дополнительные компоненты к соответствующим вариантам конечного изделия. Эта информация может предоставляться заказчику;
– сведения из «Архива готовых проектов», в которых содержится информация о ранее выполненных проектах. Эта информация
также может предоставляться заказчику.
На основании полученных сведений заказчик формулирует требования, которые он может предъявить к конечному изделию. При
этом он совершает следующие действия:
– производит анализ полученных им сведений о базовом изделии и его разновидностях;
– выбирает базовую конфигурацию, на основе которой будет
разрабатываться новое изделие;
– проводит анализ полученных им сведений о дополнительных
компонентах, которые могут быть использованы в конструкции нового изделия;
– выбирает дополнительные компоненты, которые должны быть
использованы в конструкции нового изделия;
– назначает специфические требования к новому изделию.
В тех случаях, когда заказчик не формулирует свои требования
к изделию, а ограничивается описанием тех конкретных задач ТЗ,
которые должно решать это изделие, подобные требования к изделию
приходится формулировать производителю. Он должен стремиться
подобрать соответствующее проектное решение из числа готовых.
На втором этапе управления конфигурацией изделия с помощью
PDM-систем менеджеру по управлению конфигурацией необходимо в
разделе «База данных текущего проекта» построить функциональную
конфигурацию конечного изделия. Построение такой конфигурации
сводится к группированию предъявленных требований по функциям
конечного изделия. Она представляется в виде многоуровневой древовидной структуры, узлами которой являются объекты конфигурирования. Осуществляется такое построение следующим образом.
Все требования заказчика бывают четырех типов.
Первый тип – это требования, относящиеся к «постоянной части»
имеющегося проекта, которые содержат количественные значения
требуемых характеристик изделия (показатели назначения ТЗ).
Второй тип – это требования, относящиеся к компонентам конечного изделия, которые обычно носят качественный характер
или вид исполнения.
142
Третий тип – это специфические требования заказчика к конечному изделию, которые однозначно определяют принимаемые технические решения. Например, применительно к электронной аппаратуре это может,быть требование, касающееся элементной базы.
Четвертый тип – это требования к функциям, выполняемым конечным изделием. Например, применительно к электронной аппаратуре, это может быть требование выполняемых функций устройством встроенного контроля.
После получения и формализации требований заказчика к готовому конечному изделию менеджер по управлению конфигурацией должен в рамках процедуры контроля осуществить проработку
этих требований, в частности установить связи между этими требованиями и конструкторскими решениями, представляющими собой различные версии компонентов, которые не требуют доработки
и могут быть включены в состав конечного изделия. Программная
среда PSS позволяет автоматизировать этот процесс. После проработки требований заказчика к готовому конечному изделию объект
конфигурации должен получить статус «проект выполним».
После проработки требований заказчика к готовому конечному
изделию начинается процесс конструкторской проработки изделия.
Здесь менеджеру по конфигурации необходимо в рамках процедуры контроля конфигурации использовать, если это возможно,
имеющиеся готовые конструкторские решения. Если это невозможно, то для конструкторских решений, нуждающихся в доработке,
инициируются изменения, определяется последовательность их
внесения, вносятся изменения в структуру изделия, а также оценивается эффективность каждого изменения, с рассмотрением степени
удовлетворения требований заказчика, обеспечиваемых внесением
данного изменения, и величину необходимых для этого затрат.
По мере удовлетворения требований заказчика к конечному изделию формируется конструкторское дерево проекта, описывающее
проектную конфигурацию конечного изделия. Эта процедура осуществляется конструкторами, работающими над проектом изделия.
Следует заметить, что в принципе при формировании конструкции изделия или какого-либо его компонента возможны два подхода.
Первый подход состоит в декомпозиции требований к конечному изделию или к его компонентам на требования более низких иерархических уровней, для того чтобы однозначно сопоставить их
сборочным единицам или деталям, входящим в состав компонента.
Декомпозиция требований заказчика на требования более низких уровней и составление их иерархии, осуществляемая на ста143
дии конструкторской подготовки, является творческим актом и
осуществляется конструкторскими службами разработчика.
Второй подход состоит в том, что вначале формируется структура
изделия, а потом проектируется каждый компонент в это структуре.
Результирующие требования, которым должно удовлетворять
конечное изделие, состоящее из спроектированных компонентов,
будут определены как итог импортирования требований, обеспечивающих каждый компонент.
После того как на стадии конструкторской подготовки производства будет сформирована проектная база конфигурации и отражающая ее базовая документация будет соответствующим образом
утверждена, начинается процесс технологической подготовки производства изделия.
Следует отметить, что в проектную документацию помимо комплекта конструкторской документации на конечное изделие должны входить также данные о проверках и расчетах, которые свидетельствуют о выполнении предъявленных к конечному изделию
требований.
В результате работы такого рода интегрированной системы конструкторско-технологической подготовки производится подготовка
комплекта необходимой конструкторско-технологической документации, включая сборочные и рабочие чертежи, спецификации, маршрутные и операционные карты, схемы базирования зажима и др.
При производстве каждого экземпляра изделия согласно разработанной конструкторско-технологической документации в соответствие ему ставятся его атрибуты, заводской номер, также дата
выпуска, результаты выходного контроля и испытаний данного
экземпляра изделия.
Вся информация о выполненном проекте помещается в раздел общей базы данных об изделии, называемый «Архив готовых проектов».
4.8. Особенности интегрированной информационной
модели изделия
Совокупность стандартизованных частных информационных
моделей изделия, процессов и ресурсов образует единую интегрированную модель, обеспечивающую информационную поддержку
процессов, выполняемых в ходе ЖЦ изделия.
Под понятием «единая интегрированная информационная модель изделия» (ИИМИ) подразумевается модель, содержащая всю
144
информацию об изделии, требуемую на любом из этапов его ЖЦ, а
при построении каждого фрагмента модели используются единые
средства и методы построения. При этом подразумевается также
обеспечение целостности всей модели, описывающей изделие.
С позиций системной архитектуры базовые ИИМИ – это фундамент, на котором могут быть построены автоматизированные
системы управления различного уровня. На основе одной и той
же модели ЖЦ и бизнес-процессов решаются задачи анализа эффективности бизнес-процессов и обеспечения качества продукции.
Интегрированная модель изделия обеспечивает обмен конструкторскими данными между проектировщиком и производителем,
является источником информации для расчета потребности в материалах и создания электронных справочников по эксплуатации
продукта и т. д.
Вопрос о том, как должна выглядеть единая ИИМИ, рассматривается в следующем подразделе. Концепция CALS/ИПИ как информационная поддержка ЖЦ изделия базируется на том, что ИИМИ
создается для всех или хотя бы для основных этапов ЖЦ и укрупненно ее структура может соответствовать изображенной на рис. 4.14 [4].
ИИМИ обладает следующими особенностями.
1. Фрагменты ИИМИ могут использоваться в разделенном режиме, т. е. один фрагмент может входить одновременно в несколько интегрированных моделей изделий. Например, модель изделия
(детали) включает в себя данные о свойствах материала, из которого эта деталь изготовлена и сведения о покрытии. Модель другой
детали, изготовленной из того же материала, с нанесением такого
же покрытия, должна содержать аналогичные данные и т. д.
2. Любое изделие или его компоненты могут быть рассмотрены
с точки зрения различных предметных областей (проектирования, изготовления, маркетинга, организации, логистики, эксплуатации и др.). Поэтому различные фрагменты ИИМИ создаются с
использованием разных программных продуктов, автоматизирующих различные предметные области. Ввиду того что некоторые
предметные области пока не автоматизированы, процесс создания
ИИМИ является дискретным с точки зрения многообразия охватываемых предметных областей. В то же время потребители ИИМИ
должны иметь возможность выделения из нее той информации, которая относится именно к их предметной области.
3. ИИМИ имеет большой объем и включает в себя фрагменты,
относящиеся к различным предметным областям. Вследствие этого
процесс создания ИИМИ является также дискретным с точки зре145
Конструкторская подготовка
производства
Маркетинг. Определение
требований к изделию
Создание концепции изделия
в электронной форме
Формирование структуры
и состава изделия
Проектировочные расчеты
и моделирование
Создание геометрической
3D-модели изделия
Создание 3D-образов деталей
и компонентов (электронная
деталировка)
Технологическая
подготовка
производства
Общая база данных о технологической среде
(оборудование, персонал и т. д.)
Постпроизводственная стадия
Производство
Организационноэкономическая
подготовка
производства
Разработка маршрутной
и операционной технологии
механообработки
и управляющих программ
Разработка технологии
сборки и монтажа
Разработка технологии
контроля и испытаний
Оперативно-календарное
планирование
Закупка материалов
и комплектующих
Входной контроль
Обработка. Контроль
в процессе обработки
Сборка. Монтаж
Контроль и испытания
готового изделия
Упаковка, хранение,
отгрузка, транспортирование
Эксплуатация,
обслуживание, ремонт
Утилизация
Рис. 4.14. Структура интегрированной информационной
модели изделия
146
Общая база данных об изделии
Контрольная сборка
Проверочные расчеты
и моделирование
ния ЖЦ изделия: отдельные фрагменты ИИМИ создаются и включаются в нее на разных этапах ЖЦ изделия. При этом необходимо
хранение всех фрагментов ИИМИ изделия независимо от того, на
каком этапе ЖЦ изделия данный фрагмент был создан. Например,
эскизный проект изделия не отменяется с появлением технического проекта, а появление изменения в конструкции изделия, находящегося в производстве, не означает, что описание конструкции
ранее произведенных изделий не должно сохраняться.
Вследствие указанных особенностей ИИМИ становится очевидным принцип ее модульного построения. Под модулем понимают
такую часть целого, замена которой требует минимума действий,
поэтому каждый из фрагментов модели должен представлять собой
модуль.
Модульность ИИМИ требует наличия средств, описывающих
состав модулей, их основные параметры (дату возникновения, ответственных, предметную область, права доступа и т. д.), взаимоотношение модулей – это метаданные, т. е. данные, описывающие
данные. Данные, описывающие модули, формируют структуру
ИИМИ, поэтому они являются структурными метаданными.
Многообразие предметных областей, охватываемых ИИМИ,
требует наличия данных, описывающих эти предметные области.
Такие данные по отношению к данным об изделии являются словарными метаданными.
На основании изложенного можно сделать вывод, что ИИМИ
должна обладать следующими свойствами: модульностью; неуничтожаемостью данных; наличием структурных и словарных
метаданных; предметной ориентацией при множественности
предметных областей.
Анализ необходимых свойств ИИМИ приводит к выводу о том,
что такая модель изделия может строиться по технологии Хранилище Данных с использованием стандарта STEP, рассмотренного
в следующем подразделе. Классическое определение Хранилища
Данных характеризуется как предметно-ориентированный, интегрированный, неизменчивый, поддерживающий хронологию набор данных, организованный для целей поддержки управления.
Основными свойствами Хранилища Данных являются предметная ориентация, интегрированность данных, инвариантность во
времени, неразрушаемость (стабильность информации), минимизация избыточности информации. Свойства, присущие Хранилищу Данных, согласно классическому его определению соответствуют особенностям ИИМИ.
147
4.9. Методология представления и обмена данными
в ИПИ-технологиях
Технологии CALS/ИПИ разработаны на основе международных
стандартов ISO, главным из которых является ISO 10303 (STEP).
Этот стандарт определяет единые формы компьютерного представления, накопления и обмена данными об изделиях на всех этапах
ЖЦ независимо от вида изделий и компьютерных платформ. Стандарт ISO10303 включает в себя объектно-ориентированный язык
EXPRESS для составления моделей изделий и правила работы с библиотеками моделей изделий.
Как было показано выше, уже давно возникла необходимость
создания единого стандарта представления данных об изделии, который должен использоваться в течение всего ЖЦ изделия и применяться для всей информации, поддерживаемой автоматизированными системами производства и управления.
Информация о продукции, создаваемая на отдельных стадиях
ее ЖЦ (маркетинг, проектирование, производство, эксплуатация
и утилизация), широко используется на протяжении всего ЖЦ.
Использование информации производится с помощью различных
компьютерных систем, в том числе расположенных в различных
организациях. Для создания единого информационного пространства для всех участников ЖЦ изделия, обеспечивающего подобное
использование информации об изделии, в CALS/ИПИ-технологиях предлагается применение ИИМИ, содержащей в себе полную
информацию об изделии. Таким образом, возникает потребность в
создании единой, стандартизованной, понятной для компьютеров
форме представления информации об изделии, которая к тому же
должна обеспечивать организацию информационного обмена между различными компьютерными системами. При этом структурные
элементы ИИМИ (см. рис. 4.5) должны содержать метаданные, отражающие следующую информацию: трехмерные характеристики,
граничное представление, конструктивную стереометрию, допуски, конструкторско-технологические элементы, список материалов, технические требования процесса идентификации изделия, состав изделия, методы конечного моделирования элемента, способы
компьютерной обработки данных и обеспечения качества и др.
Стандарт ISO 10303, имеющий неофициальное название «STEP»
(стандарт для обмена данными об изделии), задает полную ИИМИ
для всего ЖЦ, а также способы реализации обмена данными, представленными согласно его полной модели. Стандарт базируется
148
а)
Маркетинг
Утилизация
Проектирование
Эксплуатация
Производство
б)
ЖЦ изделия
Маркетинг
Утилизация
STEP
Проектирование
Эксплуатация
Производство
Рис. 4.15. Организация обмена данными об изделии на стадиях
жизненного цикла по традиционному принципу (а)
и на основе стандарта STEP (б)
на методологии IDEF0, рассмотренной в подразд. 5.1. Как полная
модель изделия, так и способы обмена данными предложены в
компьютерном виде, причем они не зависят от программных и аппаратных средств, применяемых участниками ЖЦ изделия. Преимущество единого стандарта состоит в простоте организации информационного обмена между всеми компьютерными системами,
которые используются в течение ЖЦ изделия [4] (рис. 4.15).
149
5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИПС
С ИНТЕГРИРОВАННОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СРЕДОЙ
5.1. Методики функционального моделирования
Структура методологии функционального моделирования
и решаемые задачи
Генеральная цель внедрения CALS/ИПИ-технологий состоит в
повышении эффективности и конкурентоспособности предприятия
за счет существенного сокращения сроков освоения производства
новых изделий, улучшения качества этих изделий и технической
документации, представляемой в электронном виде, обеспечения
высокого уровня сервиса и логистической поддержки на постпроизводственных стадиях ЖЦ. Решению этой цели способствует проведение функционального моделирования деятельности предприятия. Методология функционального моделирования, рекомендации по применению типовых средств моделирования процессов и
операций производственных систем изложены в нормативном документе Р 50.1.028 [10].
Методология моделирования IDEF (ICAM Definition) разработана для информационной поддержки Программы интегрированной
компьютеризации производства ICAM (Integrated Computer Aided
Manufacturing). Методология моделирования IDEF и средства ее
реализации позволяют исследовать структуру, параметры и характеристики производственных систем. Общая методология IDEF состоит из трех частных методологий моделирования, основанных на
графическом представлении систем.
IDEF0 используется для создания функциональной модели, отображающей структуру, функции системы, а также материальные и
информационные потоки объектов, преобразуемых этими функциями (функциональное моделирование, структурно-функциональное), т. е. позволяет создавать функциональные модели, отображающие процессы и функции системы. Эти модели используются для
проведения детального функционального анализа в целях улучшения структуры функций объекта (реинжиниринга). На методе
IDEF0 базируется функционально-стоимостный анализ (ФСА) или
его аналог ABC (Activity Based Costing).
IDEF1 применяется для построения информационной модели,
отображающей структуру и содержание информационных потоков, необходимых для поддержки функций системы (информационное моделирование, моделирование поддержки). Это метод моде150
лирования информационных потоков внутри системы, позволяющий отображать структуру системы, т. е. ее элементы (сущности),
их свойства (атрибуты) и взаимосвязи (отношения) между ними.
Полученная в процессе моделирования детальная информация позволяет выявить узкие места в анализируемом объекте и является
основой для принятия решений об улучшении структуры системы
и информационных потоков, осуществления рациональной программы управления информацией.
IDEF2 – метод динамического моделирования систем, позволяющий построить динамическую модель изменения состояния
системы во времени по поведению функций, изменению информации и ресурсов системы (поведенческое моделирование). Подобный
подход широко используется при динамическом моделировании
технических систем, описываемых дифференциальными уравнениями различного типа. Имеющиеся в настоящее время алгоритмы
и их компьютерные реализации позволяют превратить набор статических диаграмм IDEF0 в динамические модели, построенные на
базе раскрашенных сетей Петри CPN (Color Petri Nets).
К настоящему времени наибольшее распространение и применение имеют методологии IDEF0 и IDEF1 (IDEF1X).
Примеры применения функциональных моделей IDEF0:
– анализ технологий реализации бизнес-процессов по показателям эффективности;
– вычисление стоимости затрат производства продукции;
– расчет эффективности применения средств автоматизации в
структурных подразделениях предприятия;
– анализ и оценка интенсивности информационных потоков и
документооборота.
Эффективность бизнес-процессов оценивают по следующим основным показателям:
– количество производимой продукции заданного качества,
оплаченное за определенный интервал времени;
– число потребителей продукции;
– количество типовых операций, которые необходимо выполнить при производстве продукции за определенный интервал времени;
– стоимость издержек производства продукции;
– длительность выполнения процессов и отдельных операций;
– капиталовложения в производство.
Как правило, моделирование средствами IDEF0 является начальным этапом изучения любой системы.
151
Модель IDEF0 состоит из следующих частей:
– диаграмм IDEF0;
– страниц FEO;
– текста пояснений;
– глоссария;
– рисунка.
Развитием методологии IDEF являются следующие методы.
IDEF3 – метод описания функционирования и моделирования
системы как причинно-следственных связей внутри одного бизнеспроцесса, так и между различными процессами. Он предоставляет
пользователю два типа диаграмм: PFD (Process Flow Description) –
описание процесса, являющееся внутренним описанием, и OSTD
(Object State Transition Description) – описание переходов из одного
состояния в другое, являющееся внешним описанием, когда дополнительно рассматривается вход и выход объекта. Эти два способа
моделирования дополняют друг друга и позволяют описать любой
процесс функционирования системы.
IDEF4 – метод объектно-ориентированного проектирования.
Средства этого метода дают возможность наглядно отображать
структуру объектов и принципы их взаимодействия, позволяя
анализировать, оптимизировать и создавать сложные системы.
В отличие от других методов, кроме констатации взаимодействия,
здесь учитывается его принцип (в частности, физический). Поэтому IDEF4, как и IDEF1X, является методом проектирования.
IDEF5 – метод получения онтологического описания и исследования сложных систем.
Основной чертой онтологического анализа является разделение
реальной системы на классы, определение совокупности их фундаментальных свойств и прогнозирование на этой основе поведения
объектов данного класса. Это метод сбора фактов и получения знаний. Типичный пример онтологического исследования – научное.
С помощью данного метода онтология системы может быть описана
при помощи определенного словаря терминов и правил, на основании которых могут быть сформированы достоверные суждения о
состоянии рассматриваемой системы в некоторый момент времени.
На основании этих утверждений формируются выводы о дальнейшем развитии системы, проводится возможная ее реорганизация,
что полезно при управлении сложными интеллектуальными системами, имеющими искусственный характер. На основе онтологического описания строятся системы получения новых знаний – экспертные системы. Возникает возможность создать разнообразные
152
схемы и диаграммы с помощью языка схем SL (Schematic Language)
и комментировать их содержание с помощью языка.
Модель разрабатывают для понимания, анализа и принятия
решений о реконструкции (реинжиниринге) или замене существующей, либо проектировании новой системы. Как было показано в
разд. 1, система представляет собой совокупность взаимосвязанных
и взаимодействующих частей, выполняющих некоторые необходимые функции. Частями (элементами) системы могут быть любые
комбинации разнообразных сущностей, включающие людей, информацию, программное обеспечение, оборудование, изделия, сырье или энергию (энергоносители). Модель описывает, что происходит в системе, как ею управляют, что она преобразует, какие средства использует для выполнения своих функций и что производит.
Основной концептуальный принцип методологии IDEF – представление любой изучаемой системы в виде набора взаимодействующих и взаимосвязанных блоков, отображающих процессы, операции, действия, происходящие в изучаемой системе.
Элементы модели каждого уровня представляют собой действия
по переработке информационных или материальных ресурсов при
заданных условиях (ограничениях и управляющих воздействиях)
с использованием определенных механизмов.
В IDEF0 все, что происходит в системе и ее элементах, принято называть функциями. Каждой функции ставится в соответствие блок.
На IDEF0-диаграмме – основном документе при анализе и проектировании систем – блок представляет собой прямоугольник. Интерфейсы,
посредством которых блок взаимодействует с другими блоками или с
внешней по отношению к моделируемой системе средой, представляются стрелками, входящими в блок или выходящими из него. Входящие стрелки показывают, какие условия должны быть одновременно
выполнены, чтобы функция, описываемая блоком, осуществилась.
Графический язык позволяет лаконично, однозначно и точно показать все элементы (блоки) системы и все отношения и связи между
ними, выявить ошибочные, лишние или дублирующие связи и т. д.
Средства IDEF0 облегчают передачу информации от одного
участника разработки модели (отдельного разработчика или рабочей группы) к другому. К числу таких средств относятся:
– диаграммы, основанные на простой графике блоков и стрелок,
легко читаемые и понимаемые;
– метки на естественном языке для описания блоков и стрелок,
а также глоссарий и сопроводительный текст, уточняющие смысл
элементов диаграммы;
153
– последовательная декомпозиция диаграмм, строящаяся по иерархическому принципу, при котором на верхнем уровне отображаются основные функции, а затем происходит их детализация и
уточнение;
– древовидные схемы иерархии диаграмм и блоков, обеспечивающие обозримость модели в целом и входящих в нее деталей, что
особенно важно при моделировании больших систем.
Программный продукт Design/IDEF 3.7 (и более поздние версии) фирмы Meta Software Corporation поддерживает автоматическое соблюдение большинства из перечисленных правил.
Разработка модели в IDEF0 представляет собой пошаговую,
итеративную процедуру. На каждом шаге итерации разработчик
предлагает вариант модели, который подвергают обсуждению, рецензированию и последующему редактированию, после чего цикл
повторяется. Такая организация работы способствует оптимальному использованию знаний системного аналитика, владеющего методологией и техникой IDEF0, и знаний специалистов – экспертов
в предметной области, к которой относится объект моделирования.
Набор структурных компонентов языка, их характеристики и
правила, определяющие связи между компонентами, представляют собой синтаксис языка. Компоненты синтаксиса IDEF0 – блоки, стрелки, диаграммы и правила. Блоки представляют функции,
определяемые как деятельность, процесс, операция, действие или
преобразование. Стрелки обозначают направленное действие информационных данных или материальных объектов, связанное с
функциями блока.
Семантика блоков и стрелок
Поскольку IDEF0 есть методология функционального моделирования, имя блока, описывающее функцию, должно быть глаголом или глагольным оборотом. Например, имя блока «Выполнить
проверку» означает, что блок с таким именем превращает непроверенные детали в проверенные. После присваивания блоку имени
к соответствующим его сторонам присоединяются входные, выходные и управляющие стрелки, а также стрелки механизма, что
и определяет наглядность и выразительность изображения блока
IDEF0. Общая структура блока показана на рис. 5.1.
Функциональная модель имеет иерархическую структуру. При
функциональном моделировании осуществляется последовательное (поуровневое) уточнение функций. Каждый уровень детально
154
Управление
(на основе чего
выполняется
данная функция)
Функциональный вход
(документы, объекты,
комплекты,
подвергаемые
воздействию функции)
Наименование
функции,
выполняемой
данным блоком
Оборудование, устройство,
программа, человек,
действием которого выполняется
данная функция
Функциональный
выход (результат
реализации функции)
Вызов (вход) средства, с помощью
которого должна выполняться
данная функция
Рис. 5.1. Структура функционального блока
описывает вышестоящий. Функция верхнего уровня модели называется контекстной функцией, которая изображается на отдельной
диаграмме, называемой контекстной. Контекстная функция несет
имя основного действия выполняемого системой. На контекстной
диаграмме указываются связи системы с окружающей средой, т. е.
границы функции.
Потоки, отображаемые на контекстной диаграмме делятся на:
– входные (то, что перерабатывается системой);
– выходные (результат работы системы);
– управления (регламентирующая и управляющая информации
или правила);
– механизма (ресурсы, выполняющие работы).
Система преобразует входные потоки в выходные с учетом
управления и с использованием механизмов.
Сложная функция, например «проектирование-изготовление»
изделия, представляет собой диаграмму верхнего уровня, в которой блоки являются основными функциями моделируемого объекта. Эти функции могут быть разбиты (декомпозированы) на составные части и представлены в виде более подробных диаграмм.
Процесс декомпозиции продолжается до тех пор, пока объект не
будет описан на уровне детализации, необходимом для достижения
целей конкретного проекта.
На рис. 5.2 приведены структуры функциональных блоков проектирования (а), изготовления (б) и сборки (в). Приведенные структуры являются фрагментами декомпозиции сложной функции
«проектирование-изготовление» изделия.
155
а)
Конструкторские
требования
Задание
Выполнить
деталировку
конструкции
Чертеж
общего вида
Инженерконструктор
б)
Изготовление
партии деталей
Оператор
Сборочный
комплект
Программный
пакет
деталировки
Чертеж.
программа
Задание
Заготовка
в)
Комплект
деталировочных
чертежей
Задание
Станок с ЧПУ
Конструкторские
требования
Выполнить сборку
узлов изделия
Сборщик
Готовые детали
Собранные узлы
изделия
Технологический
комплекс
Рис. 5.2. Пример декомпозиции сложной функции
«проектирование-изготовление изделия»: а – функция проектирования,
б – функция изготовления деталей, в – функция сборки узлов изделия
Чтобы гарантировать точность модели, следует использовать
стандартную терминологию. Блоки именуются глаголами или глагольными оборотами, и эти имена сохраняются при декомпозиции.
Стрелки и их сегменты, как отдельные, так и связанные в «пучок»,
помечаются существительными или оборотами существительного.
Метки сегментов позволяют конкретизировать данные или материальные объекты, передаваемые этими сегментами, с соблюдением
синтаксиса ветвлений и слияний.
156
Каждая сторона функционального блока имеет стандартное назначение с точки зрения связи блок/стрелки. В свою очередь, сторона
блока, к которой присоединена стрелка, однозначно определяет ее
роль. Стрелка, входящая в левую сторону блока, – вход. Входы преобразуются или расходуются функцией, чтобы создать то, что появится на ее выходе. Стрелка, входящая в блок сверху, – управление.
Управление определяет условия, необходимые функции, чтобы
произвести правильный выход. Стрелка, покидающая блок справа, – выход, т. е. данные или материальные объекты, произведенные функцией.
Стрелки, подключенные к нижней стороне блока, представляют механизмы, то есть все то, с помощью чего осуществляется
преобразование входов в выходы. Стрелки, направленные вверх,
идентифицируют средства, поддерживающие выполнение функции. Другие средства могут наследоваться из родительского блока.
Стрелки механизма, направленные вниз, являются стрелками вызова. Стрелки вызова обозначают обращение из данной модели или
из данной части модели к блоку, входящему в состав другой модели
или другой части модели, обеспечивая их связь, т. е. разные модели
или разные части одной и той же модели могут совместно использовать один и тот же элемент (блок).
Стрелки идентифицируют данные или материальные объекты,
необходимые для выполнения функции или производимые ею.
Каждая стрелка должна быть помечена существительным или оборотом существительного.
Имена функций – глаголы или глагольные обороты. Примеры
таких имен: производить детали; контролировать выполнение;
разработать деталировочные чертежи; планировать ресурсы; проектировать систему; изготовить компонент; наблюдать; эксплуатировать; проверять деталь.
Построение контекстной диаграммы
верхнего уровня
Каждая модель должна иметь контекстную диаграмму верхнего
уровня, на которой объект моделирования представлен единственным блоком с граничными стрелками. Эта диаграмма называется
А-0. Стрелки на этой диаграмме отображают связи объекта моделирования с окружающей средой. Поскольку единственный блок
представляет весь объект, его имя – общее для всего проекта. Это
же справедливо и для всех стрелок диаграммы, поскольку они
157
представляют полный комплект внешних интерфейсов объекта.
Диаграмма А-0 устанавливает область моделирования и ее границу.
Функция на диаграмме изображается прямоугольником и обозначает действие, выполняемое над «входом» и выдающее в результате «выход».
Имя функции состоит из:
– глагола, определяющего действие функции;
– существительного определяющего объект или цель действия.
Пример диаграммы А-0 показан на рис. 5.3.
Классификация функций, моделируемых блоками IDEF0. Практика построения функциональных моделей требует введения классификации явлений и событий, отображаемых в моделях. Такая
классификация облегчает выбор глубины декомпозиции моделируемых систем и способствует выработке единообразных подходов
и приемов моделирования в конкретных предметных областях.
В рекомендациях предлагается классификация, ориентированная на достаточно широкий круг организационно-экономических
и производственно-технических систем. Классификация делит все
функции таких систем на четыре основных и два дополнительных
вида. Каждая рубрика в классификации представляет собой класс
преобразующих блоков, экземпляры которого возникают и используются при моделировании конкретной системы.
Основные виды функций
Деятельность – совокупность процессов, выполняемых (протекающих) последовательно или/и параллельно, преобразующих
множество материальных или/и информационных потоков во мноТЗ на проект
Необходимость
автоматизации
процесса
Алгоритм
и параметры
управления
Проектировать
управляющую
систему
0
Проект АСУ
Отдел проектирования
Цель: снижение трудоемкости, повышение качества, совершенствование организации, управляемости, оперативные
воздействия
Точка зрения: служба автоматизации управления
Рис. 5.3. Пример диаграммы А0
158
жество материальных или/и информационных потоков с другими
свойствами. В модели IDEF0 деятельность описывается блоком А0
на основной контекстной диаграмме А0.
Процесс (синоним: бизнес-процесс) – совокупность последовательно или/и параллельно выполняемых операций, преобразующая материальный или/и информационный потоки в соответствующие потоки с другими свойствами.
Блоки на диаграмме располагаются по принципу, показанному
на рис. 5.4.
Операция – совокупность последовательно или/и параллельно
выполняемых действий, преобразующих объекты, входящие в состав материального или/и информационного потока, в соответствующие объекты с другими свойствами.
Действие – преобразование какого-либо свойства материального или информационного объекта в другое свойство.
Дополнительные виды функций
Субдеятельность – совокупность нескольких процессов в составе деятельности, объединенная некоторой частной целью (являющейся «подцелью» деятельности).
Подпроцесс – группа операций в составе процесса, объединенная технологически или организационно.
Понятия основных видов функций образуют естественную иерархию блоков на IDEF0-диаграммах при декомпозиции, предусматривая четыре уровня. При анализе сложных видов деятельности могут потребоваться промежуточные уровни декомпозиции,
основанные на применении дополнительных видов функций. Уровни декомпозиции, детализирующие действия, естественно считать
состоящими из элементарных или простых функций.
Типовая диаграмма. Эффективность и производительность труда разработчиков функциональных моделей могут быть повышены
за счет применения типовых моделей и отдельных диаграмм, ориентированных на применение в конкретных предметных областях.
Так, например, на основе представлений о жизненном цикле продукции (изделия) можно предложить типовую диаграмму уровня
А0 для промышленного предприятия, которая может иметь вид,
схематически показанный на рис. 5.5.
Нумерация функций и диаграмм. Все функциональные блоки
должны быть пронумерованы. Номер состоит из префикса и одной
или нескольких цифр. Обычно используется префикс «А», но допустимо использовать префикс любой длины.
159
160
Ставить на учет
технологическую
документацию
А3
НАЗВАНИЕ: Разработать, согласовать и утвердить
технологическую документацию
М1
Цех, ХМО, ОГТ, ЕОТД
Утвердить
технологическую
документацию
А2
Нормативные
документы
С2
Публикация
Рекомендовано
Эскиз
Рабочая версия
НОМЕР:
Разрешения
технологические
O3
Карточки
технологических
процессов
O2
Технологические
процессы
O1
Ознакомлен: Дата Контекст:
Готово
Рис. 5.4. Построение основных функций диаграммы верхнего уровня
УЗЕЛ: ИПС-И /Text
ТЗ на разработку
технологической
документации
I4
Состав изделий
I3
Разрабатывать
технологическую
документацию
А1
Производственная
программа
С1
Замечания: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Конструкторская
документация
I1
Расцеховка
I2
Дата: хх.хх.хх
Проект: ИПС-Импульс корректирован: v
Используется в: Автор: Новиков
161
НАЗВАНИЕ: Подготовка технологической зоны
Готовая
продукция
П2
Организовать
гарантийное
обслуживание,
анализировать
рекламации
А6
Выпускать
и реализовывать
продукцию
А4
НОМЕР:
М2
Организационно-технологическая система
Создавать изделие,
готовить
производство
А3
Рабочая версия Ознакомлен: Дата Контекст:
Готово
Эскиз
v Рекомендовано
Публикация
С1 Нормативные документы по изделию,
государственные и международные стандарты
Рис. 5.5. Типовая диаграмма А0 для промышленного предприятия
УЗЕЛ: ИПС-И/Text
М1
Капвложения
Модернизировать
оргструктуру,
обновить кадры
и оборудование
А5
Использовать
маркетинговые
исследования
А2
Управлять
предприятием
А1
Материалы и
комплектующие
изделия, оборотные
средства
13
Информация
12
Обратная
связь
11
Дата: хх.хх.хх
Проект: ИПС-Импульс корректирован:
Замечания: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Используется в: Автор: Новиков
Контекстная функция всегда именуется А0. Функция А0 декомпозируется в функции А1, А2, А3 и т. д. Функция А2 декомпозируется в функции А21, А22, А23 и т. д. Каждый уровень декомпозиции добавляет один разряд в номер функционального блока.
Роль, обозначение, применение стрелок. Стрелки показывают
взаимодействие функций с внешней средой и между собой. Они
могут обозначать материальные объекты, места, людей, события и
понятия. Стрелки могут быть только однонаправленными. Именуются существительными. Подписи соединяются со стрелками с помощью специального элемента – тильды (зигзагообразный знак).
Контекстная диаграмма А0 также должна содержать краткие
утверждения, определяющие точку зрения должностного лица или
подразделения, с позиций которого создается модель, и цель, для
достижения которой ее разрабатывают. Эти утверждения помогают руководить разработкой модели и ввести этот процесс в определенные рамки. Точка зрения определяет, что и в каком разрезе
можно увидеть в пределах контекста модели. Изменение точки зрения приводит к рассмотрению других аспектов объекта. Аспекты,
важные с одной точки зрения, могут не появиться в модели, разрабатываемой с другой точки зрения на тот же самый объект.
Формулировка цели выражает причину создания модели, т. е.
содержит перечень вопросов, на которые должна отвечать модель,
что в значительной мере определяет ее структуру.
Наиболее важные свойства объекта обычно выявляются на верхних уровнях иерархии; по мере декомпозиции функции верхнего
уровня и разбиения ее на подфункции, эти свойства уточняются.
Каждая подфункция, в свою очередь, декомпозируется на элементы следующего уровня, и так происходит до тех пор, пока не будет
получена релевантная структура, позволяющая ответить на вопросы, сформулированные в цели моделирования. Механизм декомпозиции поясняется рис. 5.6.
Каждая подфункция моделируется отдельным блоком. Каждый
родительский блок подробно описывается дочерней диаграммой на
более низком уровне. Все дочерние диаграммы должны быть в пределах области контекстной диаграммы верхнего уровня.
На рис. 5.7 приведена диаграмма декомпозиции функции верхнего уровня (А-0) «изготовление изделия» на дочерние диаграммы,
представляющие иерархию диаграмм всего процесса. Каждому
блоку диаграмм присваивается индекс дочерней принадлежности
к диаграмме верхнего уровня. Дочерняя диаграмма, создаваемая
при декомпозиции, охватывает ту же область, что и родительский
162
Используется в:
Автор: Новиков
Дата: хх.хх.хх
Проект: ИПС-Импульс
корректирован:
Замечания: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Производственная
программа
v
Ознакомлен: Дата
Рабочая версия
Эскиз
Рекомендовано
Публикация
Контекст:
Готово
Нормативные
документы
Конструкторская
документация
Технологические
процессы
Расцеховка
Карточки
технологических
процессов
Состав
изделий
Разрешения
технологические
ТЗ на разработку
технологической
документации
УЗЕЛ: ИПС-И/Text
Используется в:
Название: Подготовка технологической
зоны
Автор: Новиков
Дата: хх.хх.хх
Проект: ИПС-Импульс
корректирован:
Замечания: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Производственная
программа
С1
Конструкторская
документация
I1
НОМЕР:
Рабочая версия
Эскиз
Рекомендовано
Публикация
v
Ознакомлен: Дата
Нормативные
документы
С2
Технологические
процессы
O1
А1
Карточки
технологических
процессов
O2
Расцеховка
I2
Состав изделий
I3
А2
ТЗ на разработку
технологической
документации
I4
УЗЕЛ: ИПС-И /Text
Контекст:
Готово
Разрешения
технологические
O3
А3
Название: Разработать, согласовать и утвердить
технологическую документацию
НОМЕР:
Рис. 5.6. Механизм декомпозиции функции на i-м уровне
блок, но описывает ее более подробно. Таким образом, дочерняя
диаграмма как бы вложена в свой родительский блок.
При декомпозиции происходит определенная миграция связей.
Внутренние связи не касаются границ диаграммы и автоматически
продолжаются на следующем уровне.
Связи для дочерних диаграмм разделяются на виды:
– выход-вход;
– выход-управление;
– выход-механизм;
163
0
А0
А4
А4
А0
А2
А42
А4
А42
Рис. 5.7. Структура дочерних диаграмм в родительских блоках модели
– обратная связь по входу;
– обратная связь по управлению.
Интерактивные электронные
технические документы
В современных условиях очевиден факт снижения конкурентоспособности таких изделий, которые сопровождаются большим
объемом традиционной бумажной документации. При этом прослеживаются следующие тенденции:
– увеличение количества и сложности выпускаемых изделий
обусловливает появление огромного количества технических материалов, инструкций по эксплуатации и обслуживанию техники, в
основном на бумажных носителях, несмотря на усилия конструкторов по упрощению эксплуатации техники;
– быстрые изменения и модификация изделий приводят к тому,
что существующие руководства и содержащаяся в них техническая
информация становятся неактуальными и не отражают действительное состояние данного изделия. Ценность огромного количества такой бумажной информации сводится к нулю, да и на создание, хранение и использование ее приходится затрачивать большие
деньги и время сотрудников;
164
– возникает необходимость развития автоматизированных
средств диагностики и контроля изделия с помощью электронных
устройств для обработки той информации, которую они выдают;
– увеличение номенклатуры и уменьшение сроков освоения новых изделий требуют повышения квалификации обслуживающего и
ремонтного персонала и необходимости его быстрого переучивания.
Потребитель является полноправным участником ЖЦ на этапе
эксплуатации изделия и ему необходимо обеспечить доступ в ЕИП.
Однако использование для этих целей PDM-системы нецелесообразно в силу ее большой стоимости и значительного срока внедрения и
освоения. Учитывая это, а также то, что потребителю необходимы
только эксплуатационные данные об изделии, в качестве средства
доступа к ЕИП он будет использовать не PDM-систему, а интерактивные электронные технические руководства (ИЭТР). ИЭТР – это техническое руководство, предоставляемое заказчику в электронной
форме на мобильном носителе (CD), либо при помощи Интернета.
ИЭТР предоставляет пользователю следующие возможности:
– отображение информации в удобном для пользователя виде
(техническое руководство, каталог деталей, информация для заказа запчастей и т. д.);
– возможность обновления информации об изделии в связи с ремонтом, модификацией, применением особых, новых материалов
при обслуживании;
– возможность использования встроенных в систему документации поисковых и диагностических систем.
С точки зрения концепции CALS, предусматривающей преемственность в передаче информации на всех стадиях жизненного
цикла, ИЭТР – это документ, формируемый в значительной степени автоматически на основе конструкторского описания изделия.
Если в подразделении, в котором создается ИЭТР, используется
PDM-система, то все исходные материалы – текстовые, графические, звуковые и т. д. – берутся из нее в готовом виде.
Информационное наполнение ИЭТР происходит главным образом на стадиях разработки и производства изделия, а применение
ИЭТР – на стадии эксплуатации и утилизации.
Место ИЭТР в жизненном цикле изделия иллюстрирует рис. 5.8.
Можно выделить несколько классов ИЭТР, каждый из которых
характеризуется определенной функциональностью и стоимостью
реализации.
Класс 1 – Бумажно-ориентированные электронные документы.
Отсканированные страницы бумажных руководств. Электронный
165
Информационно-техническое сопровождение изделия
ИЭТР
УТИЛИЗАЦИЯ
Транспортирование
Ремонт
Заказ запчастей
Подготовка
к эксплуатации
Техническое
обслуживание изделия
Подготовка
к эксплуатации
Обучение обслуживающего
персонала
ПРОИЗВОДСТВО
РАЗРАБОТКА
ЭКСПЛУАТАЦИЯ
Жизненный цикл изделия
Рис. 5.8. Использование ИЭТР на стадиях жизненного цикла изделия
с детализацией стадии эксплуатации
документ – копия бумажного руководства. Преимущества: большие объемы бумажной документации заменяет компактный электронный носитель. Недостатки: не добавляет никаких новых функций по сравнению с бумажными руководствами.
Класс 2 – Неструктурированные документы. Текстовые электронные документы. Преимущества: возможность использования
аудио- и видеофрагментов, графических изображений и возможность осуществлять поиск по тексту документа. Недостатки: ограниченные возможности обработки информации.
Класс 3 – Структурированные документы. Начиная с класса 3,
руководства представляют собой документы, имеющие три компонента: структура, оформление и содержание. Кроме того, начиная с
класса 3, ИЭТР имеют стандартизированный интерфейс пользователя. Преимущества: существует возможность стандартизировать
структуру, оформление и пользовательский интерфейс руководств
(например, на основе отраслевых стандартов на эксплуатационную
документацию), стандартизированный интерфейс пользователя
позволяет облегчить работу с ИЭТР. Недостатки: при создании руководств для сложных промышленных изделий появляются проблемы управления большим объемом информации.
166
Класс 4 – Интерактивные базы данных. Руководства данного
класса используют для хранения информации СУБД. Преимущества: можно создавать технические руководства большого объема.
Недостатки: отсутствие системы диагностики изделия.
Класс 5 – Интегрированные базы данных. Дают возможность
прямого взаимодействия с электронными модулями диагностики изделий, что существенно облегчает обслуживание и ремонт изделия.
Преимущества: возможность проведения диагностики изделия. Недостатки: очень высокая стоимость создания. Вариант использования конкретного класса ИЭТР в общем случае зависит от сложности
изделия, от финансовых и технических возможностей пользователя.
Электронный технический документ рассматривается как совокупность информационных единиц – модулей данных (МД). Модуль данных – основной информационный объект базы данных.
Модуль данных – электронный документ, являющийся наименьшей самостоятельной информационной единицей, входящей
в состав технической документации. Каждый МД идентифицируется кодом, обеспечивающим доступ к нему, кодом языка его содержательной части и номером издания. Все МД, применимые к
изделию, объединены в составе единой базы данных, где и обеспечивается их обработка.
Из МД, содержащихся в общей базе данных, формируются публикации.
Публикация представляет собой составной электронный документ, состоящий из набора МД. Каждая публикация идентифицируется кодом модуля публикации, кодом языка содержательной
части, номером издания. В ходе сопровождения (изменения, дополнения) электронного документа МД могут добавляться в публикацию, изыматься из неё или заменяться.
Для формирования публикации могут использоваться информационные наборы.
Информационный набор представляет собой составной электронный документ, состоящий из набора МД. Информационные
наборы могут содержать информацию:
– по определенной тематике, например, по схемам электрооборудования изделия или по его техническому обслуживанию;
– об устройстве блока или узла, применяемого в нескольких изделиях.
В состав публикации помимо МД могут входить автоматически
созданные отчеты, например перечень действующих МД, перечень
изменений.
167
Техническая документация, изданная в виде ИЭТР, составленная из
интерактивных электронных технических публикаций (ИЭТП), снабжается программой для просмотра содержащейся в ней информации.
Каждая ИЭТП, включенная в ИЭТР, может содержать иллюстрированный текст, видео- и аудио-ролики, трехмерные модели.
Используя функцию поиска, пользователь может быстро получить
необходимую информацию для эксплуатации изделия, выполнения регламентных работ и ремонта изделия, его транспортировки,
хранения и технического обслуживания.
Рассмотрим подробнее виды и содержание МД. МД делятся на
типы в зависимости от информации, содержащейся в них. Каждый
МД представляет собой совокупность взаимосвязанных технических сведений, относящихся к определенной тематике. МД состоит
из описательной и содержательной частей.
Типовыми описательными разделами МД являются:
– описание изделия и его компонентов;
– описание технического обслуживания изделия;
– описание процессов эксплуатации изделия;
– иллюстрированный каталог деталей и сборочных единиц;
– перечень расходных материалов.
Содержательная часть состоит из текстовой информации, таблиц, иллюстраций, видео- и аудиороликов, компьютерных моделей. Содержательная часть зависит от типа МД.
Существуют следующие виды информации:
1) описательные данные;
2) данные по техническому обслуживанию;
3) информация по поиску неисправностей;
4) планирование технического обслуживания;
5) информация для экипажа или эксплуатирующего персонала;
6) информация по иллюстрированному каталогу;
7) оценка боевых повреждений и ремонт;
8) данные по схемам электрооборудования;
9) процессный МД;
10) репозиторий технической информации (справочники);
11) таблица перекрестных ссылок на объект;
12) таблица перекрестных ссылок на технические условия;
13) контейнер;
14) правила выполнения проекта.
Для справки рассмотрим виды информации, которая может содержаться в МД, подробней.
1. Описательные данные.
168
Описательные данные используются для представления сведений об устройстве объекта, принципах его работы, назначении и
эксплуатации.
2. Данные по техническому обслуживанию.
Применяются для представления данных о задачах технического обслуживания на объекте и установленных на нем компонентах.
Предоставленная информация должна позволять техническому
персоналу:
– производить подключение и отключение контрольно-проверочной аппаратуры и источников питания;
– применять соответствующие специальные инструменты и
вспомогательное оборудование;
– осуществлять обслуживание объекта и его систем/компонентов;
– проводить испытания на соответствие систем и компонентов
установленным требованиям;
– демонтировать и устанавливать любые системы или компоненты с минимальными затратами времени.
3. Информация по поиску неисправностей.
Информация по поиску неисправностей должна содержать:
– перечень локализованных, обнаруженных, наблюдаемых и
взаимозависимых отказов;
– процедуры поиска неисправности (описание и схемы);
– данные, необходимые для поиска неисправности;
– ссылки на процедуры устранения неисправностей.
4. Планирование технического обслуживания.
Информация о плане технического обслуживания, которая позволит техническому персоналу планировать и выполнять операции технического обслуживания объекта. Должна быть представлена информация о требованиях, необходимых для проведения
предупредительных проверок, планового и внепланового обслуживания. Информация по планированию технического обслуживания
содержит следующие разделы:
– ресурсы и сроки службы;
– перечень работ по техническому обслуживанию (по системам);
– плановое и неплановое техническое обслуживание (по формам
обслуживания);
– программа контрольного полета (облета) летательного аппарата.
5. Информация для экипажа или эксплуатирующего персонала.
Информация, необходимая для того, чтобы дать экипажу/операторам соответствующее представление об объекте, его системах и
процедурах для эксплуатации данного объекта, как в нормальном
169
режиме, так и в состоянии отказа. Может быть включена информация о технических характеристиках.
6. Информация по иллюстрированному каталогу.
Данные для иллюстрированных каталогов включают текстовую
информацию и одну или несколько иллюстраций, относящихся к
конкретной системе, подсистеме или сборочной единице.
Функции иллюстрированного каталога деталей:
– идентификация запасных частей;
– идентификация взаимосвязей между составными частями изделия;
– предоставление сведений о заказе/поставке.
7. Оценка боевых повреждений и ремонт.
Информация, необходимая при оценке и ремонте боевых повреждений, которая позволит обслуживающему персоналу проводить оценку и ремонт повреждений объекта. Эти данные должны
содержать сведения, необходимые для:
– обозначения (маркировки) поврежденных участков или единиц оборудования;
– доступа к месту повреждения;
– оценки повреждения;
– определения необходимых действий (ремонтировать, локализовать (отсоединить), оставить с повреждением), принимая во внимание то, как это может повлиять на эксплуатацию/выполнение
боевой задачи;
– ремонта или отсоединения единиц оборудования;
– установления (по требованию) степени эффективности функционирования (при помощи функциональных проверок);
– определения содержимого комплекта для ремонта боевых повреждений.
8. Данные по схемам электрооборудования.
Информация по схемам электрооборудования объекта должна
содержать сведения о проводах, жгутах, электрооборудовании и
стандартных компонентах. Эти данные должны достаточно полно
описывать электрические цепи для предоставления техническому
персоналу возможности выполнять поиск неисправностей и техническое обслуживание электрических систем объекта.
9. Процессный модуль данных.
Процессный МД задает последовательность интерактивной обработки других МД или шагов внутри МД на основе статической
или динамической информации, получаемой от пользователя или
из других источников.
170
Процессный МД может использоваться для представления большинства типов информации.
Особенно он подходит для представления описательных, процедурных данных, а также данных по неисправностям. Он не годится
для представления данных по электромонтажу и деталям.
10. Репозиторий технической информации (справочники).
Репозиторий технической информации представляет собой механизм хранения различных типов технической информации с целью
уменьшения ее избыточности и обеспечения ее согласованности.
Содержательная часть МД репозитория технической информации должна быть структурирована в соответствии с одним из восьми следующих типов информации:
– номера функциональных элементов;
– автоматы защиты сети;
– информация о деталях;
– информация о зонах;
– информация о точках доступа;
– информация об организациях;
– расходные материалы. Характеристики;
– расходные материалы. Требования;
– вспомогательное оборудование.
Код МД может содержать от 17 до 37 буквенно-цифровых символов.
Использование аудио- и видеоданных в ИЭТР позволяет наглядно показать выполнение любой операции по обслуживанию или ремонту изделия. При помощи анимации можно увидеть работу систем и механизмов в действии.
Преимущества ИЭТР проявляются в наибольшей степени, если
разработчик, производитель и эксплуатирующая организация связаны между собой глобальной сетью. В этом случае возможны автоматическое обновление информации в базе данных, связанное
с изменением самого изделия или технологии его эксплуатации,
непосредственное получение консультаций в сервисных центрах
изготовителя, а также заказ запасных частей и комплектующих.
Сопряжение с хранилищем может быть реализовано с помощью
текстового обменного файла, соответствующего требованиям стандарта ISO 10303–21.
Использование ИЭТР дает следующие преимущества по сравнению с традиционными бумажными техническими руководствами:
– сокращение на 20–25 % сроков освоения новых изделий потребителем;
171
– в интегрированном ИЭТР организовать обновление информации гораздо проще, чем в бумажных руководствах;
– в ИЭТР высокого уровня встраивается система диагностики
неисправностей.
5.2. Методика построения модели
Используя правила построения функциональных моделей, рассмотрим практическую методику построения модели создания
электронной технологической документации. Модель разрабатывается в следующей последовательности.
1. Определение предмета моделирования.
2. Определение цели и точки зрения.
3. Создание контекстной функции (рис. 5.9).
4. Определение основных граничных кодирований стрелок (ICOM).
Цель любой функции – получение какого-либо результата. Следовательно нужно начать с определения выходов функций (см.
рис. 5.9). Далее в следующей последовательности:
– определение входов;
– определение управления;
– определение механизмов.
5. Декомпозиция (принцип декомпозиции проиллюстрирован
рис. 5.6).
6. Построение основных функций диаграммы верхнего уровня.
7. Построение основных связей на диаграмме верхнего уровня.
Определение выходов
Нужно отразить все возможные варианты связанные с результатами работы функции.
Действие некоторых функций может заканчиваться неудачно.
Выходы должны отражать любое развитие событий.
Отрицательные результаты часто используются при создании
стрелок обратной связи и должны быть рассмотрены для каждой
функции.
Полезно включить в модель сомнительные или неясные стрелки,
обозначенные знаком вопроса, чтобы потом обсудить их с экспертом.
Определение входов
Входы – это объекты, из которых получаются другие объекты на
выходе.
При работе с материальными объектами они преобразуются в выходное изделие или уничтожаются в результате действия функции.
172
173
2
3
НАЗВАНИЕ: Подготовка технологической зоны
АС
1
НОМЕР:
Ознакомлен: Дата Контекст:
Готов
Рис. 5.9. Контекстная функция построения модели, определение основных граничных ICOM
и построение основных связей на диаграмме верхнего уровня
УЗЕЛ: ИПС-И/Text
4
Рабочая версия
Эскиз
Рекомендовано
Публикация
Нормативные
документы
Разрабатывать,
согласовывать
и утверждать
технологическую
документацию
Производственная
программа
Автор: Новиков
Дата: хх.хх.хх
Проект: ИПС-Импульс корректирован: v
Замечания: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Цель: внедрение электронного документа оборота
Точка зрения: команда по внедрению
ТЗ на разработку
технологического
процесса
Состав изделий
Расцеховка
Конструкторская
документация
Используется в:
Информационный объект может остаться нетронутым.
Определение управления
Управление принимает форму: правил; стандартов; рекомендаций; инструкций.
Управление – «неизменная» форма входа.
Если возникает затруднение с определением характера связи
между входом и управлением, то следует выбирать управление.
Определение механизмов
Механизм включает в себя:
– людей;
– машины и механизмы;
– вычислительные системы;
– любые материальные ресурсы силами или с помощью которых
выполняются действия функции.
8. Декомпозиция блоков диаграммы верхнего уровня (пример декомпозиции функции А0 на функции А1 – А4 показан на рис. 5.10).
9. Дополнительная информация о модели.
Дополнительная информация записывается или представляется
на стандартных бланках.
Поскольку дополнения уточняют конкретную диаграмму модели, для идентификации и связывания дополнительной страницы с
диаграммой, к которой она относится, используется принятая ранее схема нумерации узлов.
К номеру узла диаграммы добавляется буква и целое число.
Буква определяет тип дополнения (Т – текст, Р – рисунок и Г –
глоссарий), а число означает порядковый номер этой текстовой
страницы среди других дополнительных страниц данной диаграммы. Например: А312Г1 – страница глоссария номер 1 к диаграмме
А312.
На рис. 5.11 и 5.12 приведен пример дополнений – страница
глоссария и страница текста.
Глоссарий используется для того, чтобы собрать вместе и определить новые понятия, которые вводятся диаграммой, декомпозирующей блок, особенно если это первая декомпозиция родительского
блока. Для функциональных диаграмм такими понятиями могут
быть либо новые функции, либо новые объекты, представляемые
дугами, либо декомпозиция внешних дуг. Страница глоссария, показанная на рис. 5.11, определяет некоторые из новых объектов,
введенных на диаграмме.
Текстовые страницы, дополняющие диаграммы, пишут обычно
для того, чтобы изложить основное содержание диаграммы. Текст
174
175
Механосборочное
производство
А1
Монтажные
схемы
Монтажносборочное
производство
А2
Правила,
процедуры
и методические
указания
Методики
регулировки
Производство
автономной
регулировки
А3
Испытательнометрологическая
лаборатория
А4
Произвести
испытания
прибора
Произвести
регулировку Прибор
технического
средства
Произвести Технические
монтажную
средства
операцию
Металлоконструкции
Производственные
ведомости
Произвести
сборочную
операцию
ТД
Стандарты
предприятия
Рис. 5.10. Декомпозиция функции А0 в модели проектирования процесса технологической подготовки
сборочно-монтажного производства
Технолог
Разработать
техническую
документацию
(ТД)
А0
ЕСТД
Приборные комплексы
176
УЗЕЛ: ИПС-И / Text
Рис. 5.11. Фрагмент глоссария
НАЗВАНИЕ: Подготовка технологической зоны
НОМЕР:
Сборочная единица – часть конструкции изделия подлежащая сборке в процессе изготовления изделия
Деталь – часть конструкции изделия, изготавливаемая в производственном процессе.
Чертеж – графическое изображение конструкции определенного структурного уровня, выполненное в
соответствии с требованиями ЕСКД.
Следующий шаг задания – очередной шаг планового задания, подлежащий выполнению, согласно рабочей
инструкции, чертежу и стадии завершенности детали.
Указания – действия, подлежащие выполнению при очередном шаге рабочей инструкции.
Материалы – металлы и пластики в исходном сортаменте поставки для изготовления деталей, а также продукты,
используемые на технологических операциях (припои, флюсы, электроды, клеи, краски, растворители и др.).
Рабочая версия Ознакомлен: дата Контекст:
Эскиз
Готово
v Рекомендовано
Публикация
Заготовки – продукт производства, из которого при дальнейшей обработке путем изменения формы, размеров,
свойств поверхности и (или) материала получают и изготавливают деталь.
Используется в: Автор: новиков
Дата: хх.хх.хх
Проект: ИПС-импульс
корректирован:
Замечания: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
177
v
Рабочая версия Ознакомлен: Дата Контекст:
Эскиз
Готово
Рекомендовано
Публикация
УЗЕЛ: ИПС-И / Text
Рис. 5.12. Текстовая страница
НАЗВАНИЕ: Подготовка технологической зоны
НОМЕР:
А236 Подготовка технологической тары
Установить контейнер с заготовками и тару для обработанных деталей. подготовить контейнер для уборки
отходов
А235 Наладка измерительных датчиков
Выполнить установку и регулировку измерительных датчиков согласно наладочной карте
А234 Установка резцов
Установить резцы согласно операционной карте
А233 Проверка СЧПУ
Протестировать СЧПУ согласно инструкции ХХХ.ХХХХ
А232 Наладить станок
Проверить станок согласно инструкции ХХХ.ХХХХ
А231 Выбрать станок
Изучить чертеж детали, выбрать станок согласно типа, установленного в технологической карте
Используется в: Автор: Новиков
Дата: хх.хх.хх
Проект: ИПС-импульс
корретирован:
Замечания: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
178
Дата: хх.хх.хх
Рабочая версия
Эскиз
Рекомендовано
Публикация
УЗЕЛ: ИПС-И/Text
НОМЕР:
Ознакомлен: Дата Контекст:
Готово
Рис. 5.13. Структура взаимодействия участников проекта
НАЗВАНИЕ: Подготовка технологической зоны
Параметры
Установленный
Предложения
и характеристики
статус
по статусу
объекта моделирования
папки
Папки с моделями
(модели)
Папки
на обсуждение
с моделями
Библиотекарь
Разработчики
Технический
проекта
моделей
совет
Папки
Заключения
с рецензиями
техсовета
Папки с моделями
Экспертырецензенты
и эксперты-читатели
Руководитель
проекта
Проект: ИПС-импульс
корректировал: v
Замечания: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Автор: Новиков
Источники
информации
об объекте
моделирования
Используется в:
помогает читателям правильно понимать содержание диаграмм и
уточняет детали системы.
Как уже отмечалось, функциональные модели могут быть разработаны и относительно лиц, участвующих в процессе. Такая модель отражает функции и связи участников проекта (рис. 5.13).
179
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Идеология ИПИ/CALS стремительно развивается во всем мировом промышленном производстве. Основные значительные успехи
достигнуты в аэрокосмической и судостроительной отраслях. Неоспоримые преимущества электронного документооборота являются в настоящее время основой выполнения крупных проектов и
организации процессов производства и эксплуатации.
Изложенный в пособии материал дает основу для изучения теории проектирования автоматизированных производственных
процессов на базе ИПИ-технологий и методических принципов решения задач проектирования. Проблема автоматизации промышленного производства относится к числу наиболее трудоемких и
затратных технических проектов, поэтому в основу базовых принципов проектирования положен системный подход, использование
методов моделирования и организации интегрированной информационной поддержки проекта.
Для любого производства проблема внедрения ИПИ-технологий
прежде всего сопряжена с задачей создания интегрированной информационной среды, совместимой с информационными средами
проектных и эксплуатирующих организаций. Мелкосерийный характер современных предприятий, многономенклатурность, значительные различия заказов по объемам и временным параметрам
требуют обеспечения не только гибкости основных и вспомогательных производственных систем, но и необходимой полноты и оперативности информационной поддержки, быстроты реагирования на
все возникающие возмущения.
Материал пособия рассчитан на формирование у магистрантов
знаний и навыков по проектному и производственно-технологическому видам исследовательской профессиональной деятельности
как будущих руководителей групп проектировщиков производственных систем и их элементов.
180
Список литературы
1. Мазур И. И., Шапиро В. Д. Управление проектами. Справочник для профессионалов. М.: Высшая школа, 2001. 
2. Управление жизненным циклом продукции / А. Ф. Колчин,
М. В. Овсянников, А. Ф. Стрекалов, С. В. Сумароков. М.: Анахарсис, 2002. 
3. Соснин О. М. Основы автоматизации технологических процессов и производств: учеб. пособие. М.: Академия, 2007. 
4. Информационная поддержка жизненного цикла изделий
машиностроения: принципы, системы и технологии CALS/ИПИ:
учеб. пособие / А. Н. Ковшов, Ю. Ф. Назаров, И. М. Ибрагимов,
А. Д. Никифоров. М.: Академия, 2007. 
5. Пестрецов С. И. CALS-технологии в машиностроении: основы
работы в CAD/CAE-системах: учеб. пособие. Тамбов: Изд-во ГОУ
ВПО ТГТУ, 2010. 
6. Larin V. P. Methodological principles of design technological
systems // Recent trend in Science and Technology management,
London. 2016. № 2. V. 8–14. 
7. Ларин В. П. Функционально-структурный синтез технологических систем // Международное научное периодическое издание
«Новая наука: от идеи к результату» по итогам международной научно-практической конференции (Ижевск, 04.08.2016). Ижевск:
АМИ, 2016. 
8. Р 50.1.031–2001. Информационные технологии поддержки
жизненного цикла продукции. Терминологический словарь. Ч. 1.
Стадии жизненного цикла продукции. 
9. Р 50.1.032–2001. Информационные технологии поддержки
жизненного цикла продукции. Терминологический словарь. Ч. 2.
Применение стандартов серии ГОСТ Р ИСО 10303. 
10. ГОСТ Р 10303–(1990–2000). Системы автоматизации производства и их интеграция. Представление данных об изделии и обмен этими данными. 
11. ГОСТ 27.202–83. Надежность в технике. Технологические
системы. Методы оценки надежности по параметрам качества изготовляемой продукции.
12. Р 50.1.028–2001. Информационные технологии поддержки
жизненного цикла продукции. Методология функционального моделирования. 
181
ГЛОССАРИЙ
Анализ – проектная процедура, результатом которой является
определение выходных параметров и характеристик исследуемой системы при известных параметрах составляющих элементов и среды.
Автоматизированная система (АС) – система, состоящая из
комплекса средств автоматизации производственной деятельности, реализующая информационную технологию выполнения установленных функций.
АСТПП – автоматизированная система технологической подготовки производства.
АСУ П – автоматизированная система управления предприятием.
Атрибут – свойство (характеристика) сущности.
База данных (БД) – совокупность информационных объектов
(ИО) различного типа, используемых для формирования содержания документа, проекта.
Виртуальное предприятие – группа предприятий, объединившихся для достижения общей цели и взаимодействующих посредством распределенной информационной среды (например, посредством Интернета).
Виртуальное производство – производство продукции, выполняемое совокупностью юридически самостоятельных предприятий, взаимодействующих через процедуры электронного бизнеса.
Данные об изделии – информация в электронном виде об изделии на стадиях его ЖЦ.
Декомпозиция работ – процедура разбиения рабочего процесса
на меньшие элементы, которые могут быть использованы для назначения ресурсов, бюджета, расписаний и т. д.
Дерево изделия – способ представления иерархической структуры изделия.
Документ технический электронный (ДТЭ) – электронный документ, содержательная часть которого включает технические
данные.
Документооборот – процесс прохождения документов между
лицами и подразделениями организации, имеющими отношение к
принятию предписываемых в документах действий.
Единое информационное пространство (ЕИП) – совокупность
распределенных баз данных, содержащих сведения об изделиях,
производственной среде, ресурсах и процессах предприятия, обеспечивающая корректность, актуальность, сохранность и доступность данных тем субъектам производственно-хозяйственной дея182
тельности, участвующим в осуществлении ЖЦ изделия, кому это
необходимо и разрешено.
Жизненный цикл (ЖЦ) – совокупность взаимосвязанных процессов и этапов, через которые проходит изделие на стадиях проектирования, производства, эксплуатации и утилизации.
Имитационное моделирование (ИММОД) – моделирование процессов, протекающих в системе при заданных внешних параметрах
и воздействиях.
Интегрированная логистическая поддержка (ИЛП) – методология обеспечения эффективной эксплуатации изделий на основе
создания необходимых средств обслуживания изделий, в том числе
документации и баз данных, предназначенных для обучения персонала, логистики и ремонта техники.
Интегрированная информационная модель изделия (ИИМИ) –
иерархически организованная модель, состоящая из частных информационных моделей изделия, содержащая всю информацию об
изделии, требуемую на любой из стадий ЖЦ изделия. При построении каждого из фрагментов моделей используются единые средства и методы построения.
Интегрированная производственная система (ИПС) – производственная система, в структуре которой содержится совокупность
систем, выполняющих внутрипроизводственные функции (основные технологические и обеспечивающие их функционирование),
функции проектирования и информационного сопровождения.
Интерактивное электронное техническое руководство (ИЭТР) –
комплекс взаимосвязанных ИО, содержащих сведения, необходимые обслуживающему персоналу при эксплуатации и ремонте
изделия. Предназначено для отображения необходимых данных
(справочной и описательной информации) в интерактивном режиме на электронном дисплее.
Информационная модель изделия – формализованная модель
информации, описывающая изделие на определенной стадии ЖЦ.
Информационный объект (ИО) – совокупность данных и программного кода, обладающая свойствами (атрибутами) и методами, позволяющими определенным образом обрабатывать данные.
Самостоятельная единица применения и хранения в ЕИП.
Конструкторская подготовка производства (КПП) – совокупность процессов и процедур, имеющая целью создание комплекта
конструкторских документов – проекта изделия. В ходе этих процессов порождается и помещается в ЕИП множество ИО, содержащих данные о структуре и составе изделия и о всех его компонентах.
183
Конфигурация изделия – термин, объединяющий понятия
структуры и состава изделия и предполагающий, что конкретные компоненты в составе обладают определенными значениями
описывающих атрибутов. Управление конфигурацией – процесс,
включающий в себя: идентификацию, проверку, изменение конфигурации, подготовку отчетности об этих действиях.
Концептуальное проектирование – стадия КПП, выполняемая
при помощи САЕ/САD-системы (САЕ – Computer Aided Engineering,
CAD – Computer Aided Design), в ходе которой разрабатывается облик изделия (в форме геометрической 3D-мoдeли) и создаются ИО,
содержащие компоновочные, структурные, принципиальные схемы изделия, выполняются предварительные проектировочные расчеты и моделирование. Согласно ГОСТ 2.119 эта стадия называется
эскизным проектированием, а ее результат – эскизным проектом.
КС – катастрофическая ситуация.
Критическое изделие – изделие, отказ которого является причиной неспособности системы выполнить ее функции, создания
КС, либо влияет на безопасность системы, либо повлечет крупный
ремонт или серьезно удорожает обслуживание.
Общая база данных об изделиях (ОБДИ) – часть ЕИП – хранилище ИО, содержащих в произвольном формате информацию,
требуемую для выпуска и поддержки технической документации,
необходимой на всех стадиях ЖЦ изделия, для всех изделий, выпускаемых предприятием. Каждый ИО в ОБДИ идентифицируется
уникальным кодом и может быть извлечен из ОБДИ для выполнения действий с ним. ОБДИ обеспечивает информационное обслуживание и поддержку деятельности заказчиков, разработчиков,
изготовителей и эксплуатационщиков.
Общая база данных о предприятии (ОБДП) – часть ЕИП – хранилище ИО, содержащих в произвольном формате данные о финансово-экономическом состоянии предприятия, его внешних связях,
производственно-технологической среде, действующей на предприятии системе качества и т. д.
Производство – совокупность процессов, имеющая целью преобразование материальных объектов (материалов, заготовок, полуфабрикатов, комплектующих изделий) в новый материальный
объект – готовое (конечное) изделие надлежащего качества, т. е.
удовлетворяющее требованиям потребителя, зафиксированным
в техническом задании и иных конструкторских документах. Все
процессы, протекающие в ходе производства, отображаются в ЕИП
посредством создания и/или преобразования соответствующих ИО. 
184
Техническое задание (ТЗ) – исходный документ, содержащий
требования, описания и определения задач, подлежащих выполнению при реализации проекта.
Технологическая подготовка производства (ТПП) – совокупность процессов и процедур, выполняемых с помощью САМ-систем
(CAM – Computer Aided Manufacturing), имеющая целью создание
комплекта технологических документов: технологических маршрутов и операционных карт механообработки, сборки (монтажа),
контроля; норм времени на выполнение технологических операций;
управляющих программ для оборудования с числовым программным управлением; проектов оснастки и специального инструмента и
т. д. Результаты работ оформляются в виде ИО, помещаемых в ЕИП
и ассоциированных с ИО, описывающими изделие и его компоненты.
Технологический процесс (ТП) – совокупность операций по преобразованию материального объекта производства или по обеспечению его качественных характеристик, выполняемых соответствующей технологической системой ИПС.
Технологическая система (ТС) – определённая во времени и пространстве совокупность функционально взаимосвязанных средств
технологического оснащения, исполнителей, средств обеспечения
функционирования (в том числе средств автоматизации), средств
обеспечения качества функционирования, обладающих целостной
структурой, системными свойствами и предназначенная для целенаправленного преобразования объектов производства или обеспечения их качества.
Утилизация – стадия ЖЦ, заключающаяся в ликвидации изделия с обращением входящих в него компонентов во вторичное сырье (с соблюдением экологических требований), сопровождающаяся исключением всех относящихся к ликвидируемому экземпляру
изделия ИО из ЕИП.
CALS-технологии (ИПИ-технологии) (Continuous Acquisition
and Life cycle Support) – технологии непрерывной информационной поддержки жизненного цикла продукции. В основе CALSтехнологий лежит процесс совместного использования данных, полученных на различных стадиях жизненного цикла изделия.
CAD (Computer Automated Design) – компьютерное автоматизированное проектирование
CAM (Computer Automated Modelling) – компьютерная автоматизированная подготовка (моделирование) производства.
CAE (Computer Automated Engeenering) – компьютерная автоматизация инженерных расчетов.
185
CAT (Computer Automated Testing) – компьютерное автоматизированное тестирование (контроль).
CRC (Collaborative Product Commerce) – управление корпорацией (совместный электронный бизнес).
CRM (Customer relations management) – управление сбытом и
взаимоотношениями с заказчиком.
CNC – компьютерное числовое управление.
ERP – система планирования и управления предприятием (основные функции АСУ П).
MES – производственная исполнительная система.
MRP II – система планирования производства.
PDM (Product Data Management)-технология – технология
управления всеми данными об изделии и процессами, создающими
и использующими эти данные в течение всего жизненного цикла
изделия. Эта технология реализуется PDM-системами.
PLM (Product Life Management) – управление жизненным циклом изделия.
PPE (Primavera Project Planner for the Enterprise) – система
управления проектами.
R&D (Research and design) – научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы (НИОКР).
SCM (Supply chain management) – система управления цепочками поставок (управление снабжением).
SCADA – диспетчерское управление производственным процессом.
S&SM – управление продажами и обслуживанием.
WF (Work Flow) – управление процессами (потоками работ).
186
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие.............................................................................. 3
1. Производственная система, ее свойства и характеристики............. 1.1. Характеристика системных свойств производства.................. 1.2. Функциональная структура производственной системы. ........ 1.3. Система качества предприятия............................................ 1.4. Обеспечение показателей качества проектируемой ИПС......... 1.5. Сертификация изделий и производств.................................. 1.6. Принципы построения ИПС................................................ 8
8
10
13
19
24
26
2. Основы проектирования производственных систем...................... 2.1. Задачи проектирования автоматизированных
производственных систем......................................................... 2.2. Системный подход к проектированию ИПС........................... 2.3. Разработка функциональной структуры ИПС........................ 2.4. Анализ факторов, определяющих целесообразность
автоматизации........................................................................ 2.5. Понятие интеграции информационно-управляющих систем
в ИПС.................................................................................... 2.6. Задачи и содержание предпроектных исследований............... 2.7. Обследование производства при автоматизации..................... Постановка задач обследования производства....................... Обследование изделий – объектов изготовления
в производственной системе............................................... Обследование технологических процессов, реализуемых
в производственной системе............................................... Обследование оборудования производственной системы......... Области экономически эффективного использования
оборудования................................................................... Определение состава оборудования новых
и реконструируемых предприятий...................................... Обследование организационной структуры производства....... 2.8. Формирование технического задания на проектирование
технологической системы по результатам обследований............... Использование результатов обследования изделий – объектов
производства при формировании технического задания......... Использование результатов обследования технологических
процессов при формировании технического задания.............. Использование результатов обследования оборудования
при формировании технического задания............................ 2.9. Анализ надежности технологической системы и разработка
мероприятий по обеспечению надежности................................... 30
30
33
34
36
39
42
44
44
46
48
50
52
56
58
58
58
59
60
60
3. Синтез технологической системы и решение задач
проектирования.......................................................................... 66
187
3.1. Сценарии проектирования производственных систем............. 3.2. Определение технологической системы. Структура, функции
и постановка задач проектирования........................................... 3.3. Синтез технологической системы........................................ 3.4. Выбор организационно-технологической формы
технологической системы......................................................... 3.5. Выбор автоматизируемых функций..................................... 3.6. Моделирование технологических систем.............................. Постановки задач моделирования технологических систем.... Функционально-параметрическая модель производственной
системы.......................................................................... Исследование производственных систем с применением
имитационного моделирования.......................................... Исследование процессов, действующих в технологической
системе........................................................................... 3.7. Использование элементов интеллектуального проектирования
при разработке автоматизированных производственных систем..... 4. Интеграция производственных и информационных систем. .......... 4.1. Задачи, решаемые интегрированной системой управления
информационным обеспечением
и поддержки жизненного цикла изделия.................................... 4.2. ИПИ-технологии и концептуальная модель CALS.................. Характеристика единого информационного пространства...... Базовые информационные технологии CALS/ИПИ................ 4.3. Реализация задачи интеграции PDM-системы и системы
управления проектами............................................................. Электронные модели изделий, процессов и ресурсов.............. Интеграция PDM и PPE..................................................... Управление хранением данных и документов....................... Управление процессами.................................................... Управление работой.......................................................... Управление потоком работ................................................. Протоколирование работы................................................. 4.4. Интеграция структур данных и работа интегрированной
системы................................................................................. PDM-система как средство интеграции................................ Синхронизация работы интегрированной системы................ Этапы работы интегрированной системы............................. Управление составом изделия............................................ 4.5. Управление конфигурацией изделия.................................... 4.6. Документация и стандартизация управления конфигурацией. 4.7. Этапы работ по управлению конфигурацией изделия
с помощью PDM-систем............................................................ 4.8. Особенности интегрированной информационной модели
изделия................................................................................. 188
66
67
69
72
75
81
81
81
85
89
92
97
97
102
102
106
110
110
118
121
123
124
125
126
128
128
130
131
133
135
139
141
144
4.9. Методология представления и обмена данными
в ИПИ-технологиях.................................................................... 148
5. Проектирование ИПС с интегрированной информационной средой. 5.1. Методики функционального моделирования......................... Структура методологии функционального моделирования
и решаемые задачи........................................................... Семантика блоков и стрелок............................................... Построение контекстной диаграммы верхнего уровня ........... Интерактивные электронные технические документы........... 5.2. Методика построения модели.............................................. 150
150
150
154
157
164
172
Заключение............................................................................... 180
Список литературы..................................................................... 181
Глоссарий.................................................................................. 182
189
Учебное издание
Ларин Валерий Павлович
ИНТЕГРИРОВАННЫЕ
ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ СИСТЕМЫ
И ИПИ-ТЕХНОЛОГИИ
Учебное пособие
Редактор А. В. Подчепаева
Компьютерная верстка С. Б. Мацапуры
Сдано в набор 03.10.16. Подписано к печати 27.12.16.
Формат 60×84 1/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 11,1.
Уч.-изд. л. 11,9. Тираж 50 экз. Заказ № 534.
Редакционно-издательский центр ГУАП
190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
5
Размер файла
3 721 Кб
Теги
larix, 02f04181aa
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа