М И Н И С Т Е Р С Т В О О Б Р А З О В А Н И Я И НАУКИ
Р О С С И Й С К О Й Ф Е Д Е Р А Ц И И
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
___________________________________________________________________
В.П. Ларин
ИНТЕГРИРОВАННЫЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ СИСТЕМЫ
И ИПИ-ТЕХНОЛОГИИ
Учебное пособие
Санкт-Петербург 2014
М И Н И С Т Е Р С Т В О О Б Р А З О В А Н И Я И НАУКИ
Р О С С И Й С К О Й Ф Е Д Е Р А Ц И И
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
___________________________________________________________________
В.П. Ларин
ИНТЕГРИРОВАННЫЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ СИСТЕМЫ
И ИПИ-ТЕХНОЛОГИИ
Учебное пособие
Санкт-Петербург 2014
УДК 621:658.5
Ларин В.П. Интегрированные производственные системы и ИПИ-технологии: Учеб. пособие / СПбГУАП. СПб., 2014. с.: ил.
Пособие предназначено для изучения дисциплины «Интегрированные производственные системы и ИПИ-технологии» магистерских программ 200100.03 - Технология аэрокосмического приборостроения и 211000.01 – Проектирование и технология аэрокосмических приборов и электронных средств, а также рассчитано на использование при изучении дисциплины «Основы автоматизации технологических процессов» основных образовательных программ бакалаврской подготовки по направлениям 200100 и 211000.
Рецензенты: Кафедра приборостроения Национального минерально-сырьевого университета («Горный»); доктор технических наук профессор Бубнов Ю.З.
Утверждено
редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Учебное издание
ЛАРИН Валерий Павлович
Интегрированные производственные системы
И ИПИ-ТЕХНОЛОГИИ
Учебное пособие
Редактор
ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ
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
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
2.7.1. Постановка задач обследования производства
2.7.2. Обследование изделий – объектов изготовления в производственной системе
2.7.3. Обследование технологических процессов, реализуемых в производственной системе
2.7.4. Обследование оборудования производственной системы
2.7.5. Области экономически эффективного использования оборудования
2.7.6. Определение состава оборудования новых и реконструируемых предприятий
2.7.7. Обследование организационной структуры производства
2.8. Формирование технического задания на проектирование технологической системы по результатам обследования
2.8.1. Использование результатов обследования изделий – объектов производства при формировании технического задания
2.8.2. Использование результатов обследования технологических процессов при формировании технического задания
2.8.3. Использование результатов обследования оборудования при формировании технического задания
2.9. Анализ надежности технологической системы и разработка мероприятий по обеспечению надежности
2.10. Формирование базы данных по изделию
3. СИНТЕЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ И РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
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
3.6.1. Постановка задач моделирования технологических систем
3.6.2. Функционально-параметрическая модель производственной системы
3.6.3. Исследование производственных систем с применением имитационного моделирования
3.6.4. 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
4.2.1. Характеристика единого информационного пространства
4.2.2. Базовые информационные технологии CALS/ИПИ
4.3. Реализация задачи интеграции PDM-системы и системы управления проектами
4.3.1. Электронные модели изделий, процессов и ресурсов
4.3.2. Интеграция PDM и PPE
4.3.3. Управление хранением данных и документов
4.3.4. Управление процессами
4.3.5. Управление потоком работ
4.3.6. Протоколирование работы
4.4. Интеграция структур данных и работа интегрированной системы
4.4.1. PDM-система как средство интеграции
4.4.2. Синхронизация работы интегрированной системы
4.4.3. Этапы работы интегрированной системы
4.4.4. 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
4.9. Методология представления и обмена данными в ИПИ-технологиях
5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИПС С ИНТЕГРИРОВАННОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СРЕДОЙ
5.1. Методики функционального моделирования
5.1.1. Структура методологии функционального моделирования и решаемые задачи
5.1.2. Семантика блоков и стрелок
5.1.3. Построение контекстной диаграммы верхнего уровня
5.1.4. Интерактивные электронные технические документы
5.2. Методика построения модели
5.3. Структура взаимодействия участников проекта
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ГЛОССАРИЙ
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 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 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 проектирования объектов производства, подготовки производства, управления производственной системы и информационного сопровождения выполняемых разработок.
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 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 [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 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 так же 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 CALS-технологий (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 CALS-технологий 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 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 значительным повышением 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 так же 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.