Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Современные проблемы автоматизации и управления в машиностроении. В 4 частях. Ч.2. Учебное пособие
.pdf
называемые «виртуальные» предприятия, объединяющие поставщиков,
производителей и потребителей продукции.
Впервые элементы CALS-технологий начали применяться в середине
1980-х годов при взаимодействии Министерства обороны США со своими
поставщиками, когда была поставлена задача перевести все операции с
ними в электронный вид. Впоследствии сфера применения CALSтехнологий расширилась до всего жизненного цикла изделия и вышла за
пределы военных ведомств. Несмотря на это, наиболее передовыми поль-
зователями CALS-технологий все же являются военные разработчики.
Например, с помощью CALS-технологий были созданы истребитель F-22
(США), подводная лодка Viking (Дания, Норвегия и Швеция), самоходная
гаубица Crusader (США). Во всех этих проектах делалась попытка организовать полномасштабное единое информационное пространство для всех
участников жизненного цикла изделия. В области гражданского внедрения
CALS-технологий в мире и в России лидируют аэрокосмическая и атомная
промышленность, автомобиле- и судостроение.
В России подобные работы начались в середине 1990-х годов, на ру-
беже столетий при Госстандарте был создан комитет № 431, координиру-
ющий работы по CALS-технологиям; создан НИЦ CALS-технологий
«Прикладная логистика»; разработана программа стандартизации в сфере
CALS-технологий в 2000 – 2003 годах; в авиастроении, судостроении, обо-
ронной промышленности реализуются пилотные проекты по внедрению
CALS-технологий. В нашей стране среди пионеров внедрения CALS –
АВПК «Сухой», ОАО «Туполев», Конструкторское бюро приборостроения
(Тула), Воронежский механический завод. Эти проекты поддерживаются
Минпромторгом РФ, Минатомом РФ. Тем не менее для нормального внедрения CALS в России необходимы переподготовка специалистов предпри-
ятий, подготовка специалистов в вузах и т. п.
В настоящее время CALS-технологии в России рассматриваются как
средство интеграции в мировую экономику, как важный инструмент реструктуризации оборонной промышленности, судостроения, авиастроения
и других отраслей, коренным образом упрощающий внутреннюю и международную промышленную кооперацию, повышающий привлекательность и конкурентоспособность промышленных изделий, обеспечивающий
качество продукции, ускорение взаиморасчетов поставщиков и потребителей, совершенствование организации управления на конверсируемых и
реформируемых предприятиях. Примерная цена внедрения CALS-
технологий на отечественных предприятиях от 50 до 900 тыс. долл. При
61
этом реализация уже начального этапа дает существенный эффект за счет
сокращения времени выхода изделия на рынок, повышения качества изде-
лия, удовлетворения требований заказчика.
Отставание с внедрением CALS-технологий сделает для предприятий невозможным участие в международной кооперации, негативно отра-
зится на конкурентоспособности и привлекательности производимой про-
дукции, послужит причиной потери определенных сегментов рынка.
3.1.2. Этапы жизненного цикла промышленных изделий.
Промышленные автоматизированные системы
Как отмечалось выше, понятие эффективности производства про-
дукции охватывает все этапы ее жизненного цикла, то есть не только снижение себестоимости продукции и сокращение сроков проектирования и
производства, но и обеспечение удобства освоения и снижения затрат на
будущую эксплуатацию изделий. Особую важность требования удобства
эксплуатации имеют для сложной техники, например, в таких отраслях,
как авиа- или автомобилестроение, производство космической техники,
оборудования для атомных электростанций и т.п.
Достижение поставленных целей на современных предприятиях, выпускающих сложные технические изделия, оказывается невозможным без
широкого использования автоматизированных систем (АС), основанных на
применении современных компьютеров с соответствующим программным
обеспечением и предназначенных для создания, переработки и использования всей необходимой информации о свойствах изделий и сопровождающих процессов. Специфика задач, решаемых на различных этапах жиз-
ненного цикла изделий, обусловливает разнообразие применяемых АС.
На рис. 3.1 указаны основные типы АС с их привязкой к тем или
иным этапам жизненного цикла изделий. Рассмотрим содержание основных этапов ЖЦИ для изделий машиностроения.
Цель маркетинговых исследований – анализ состояния рынка, про-
гноз спроса на планируемые изделия и развития их технических характе-
ристик.
На этапе проектирования выполняются проектные процедуры –
формирование принципиального решения, разработка геометрических мо-
делей и чертежей, расчеты, моделирование процессов, оптимизация и т.п.
62
Рис. 3.1. Этапы жизненного цикла промышленной продукции
и используемые автоматизированные системы
Этап проектирования включает все необходимые стадии, начиная с
внешнего проектирования, выработки концепции (облика) изделия и кончая испытаниями пробного образца или партии изделий. Внешнее проектирование обычно включает разработку технического и коммерческого
предложений и формирование технического задания (ТЗ) на основе результатов маркетинговых исследований и/или требований, предъявленных
заказчиком.
На этапе подготовки производства разрабатываются маршрутная и
операционная технологии изготовления деталей, реализуемые в программах для станков ЧПУ; технология сборки и монтажа изделий; технология
контроля и испытаний.
На этапе производства осуществляются: календарное и оперативное
планирование; приобретение материалов и комплектующих с их входным
контролем; механообработки и другие требуемые виды обработки; кон-
троль результатов обработки; сборка; испытания и итоговый контроль.
На постпроизводственных этапах выполняются консервация, упаковка, транспортировка; монтаж у потребителя; эксплуатация, обслужива-
ние, ремонт; утилизация.
Автоматизация проектирования осуществляется САПР. В САПР машиностроительных отраслей промышленности принято выделять системы
63
функционального, конструкторского и технологического проектирования.
Первые из них называют системами расчетов и инженерного анализа или
системами CAE (Computer Aided Engineering). Системы конструкторского
проектирования называют системами CAD (Computer Aided Design). Проектирование технологических процессов выполняется в автоматизированных системах технологической подготовки производства (АСТПП), входящих как составная часть в системы CAM (Computer Aided
Manufacturing).
Для решения проблем совместного функционирования компонентов
САПР различного назначения, координации работы систем
CAE/CAD/CAM, управления проектными данными и проектированием
разрабатываются системы, получившие название систем управления проектными данными PDM (Product Data Management). Системы PDM либо
входят в состав модулей конкретной САПР, либо имеют самостоятельное
значение и могут работать совместно с разными САПР.
На большинстве этапов жизненного цикла, начиная с определения
предприятий-поставщиков исходных материалов и компонентов и кончая
реализацией продукции, требуются услуги системы управления цепочками
поставок – Supply Chain Management (SCM). Цепь поставок обычно опре-
деляют как совокупность стадий увеличения добавленной стоимости про-
дукции при ее движении от компаний-поставщиков к компаниям-
потребителям. Управление цепью поставок подразумавает продвижение
материального потока с минимальными издержками. При планировании
производства система SCM управляет стратегией позиционирования продукции. Если время производственного цикла меньше времени ожидания
заказчика на получение готовой продукции, то можно применять стратегию «изготовление на заказ». Иначе приходится использовать стратегию
«изготовление на склад». При этом во время производственного цикла
должно входить время на размещение и исполнение заказов на необходи-
мые материалы и комплектующие на предприятиях-поставщиках.
В последнее время усилия многих компаний, производящих про-
граммно-аппаратные средства автоматизированных систем, направлены на
создание систем электронного бизнеса (E-commerce). Задачи, решаемые
системами E-commerce, сводятся не только к организации на сайтах
Internet витрин товаров и услуг. Они объединяют в едином информационном пространстве запросы заказчиков и данные о возможностях множества
организаций, специализирующихся на предоставлении различных услуг и
выполнении тех или иных процедур и операций по проектированию, изго-
64
товлению, поставкам заказанных изделий. Проектирование непосредственно под заказ позволяет добиться наилучших параметров создаваемой
продукции, а оптимальный выбор исполнителей и цепочек поставок ведет
к минимизации времени и стоимости выполнения заказа. Координация ра-
боты многих предприятий-партнеров с использованием технологий Internet
возлагается на системы E-commerce, называемые системами управления
данными в интегрированном информационном пространстве CPC
(Collaborative Product Commerce).
Управление в промышленности, как и в любых сложных системах,
имеет иерархическую структуру. В общей структуре управления выделяют
несколько иерархических уровней, показанных на рис. 3.2. Автоматизация
управления на различных уровнях реализуется с помощью автоматизиро-
ванных систем управления (АСУ).
Информационная поддержка этапа производства продукции осу-
ществляется автоматизированными системами управления предприятием
(АСУП) и автоматизированными системами управления технологическими
процессами (АСУ ТП).
К АСУП относятся системы планирования и управления предприя-
тием ERP (Enterprise Resource Planning), планирования производства и тре-
бований к материалам MRP-2 (Manufacturing Requirement Planning) и упо-
мянутые выше системы SCM. Наиболее развитые системы ERP выполняют
различные бизнес-функции, связанные с планированием производства, за-
купками, сбытом продукции, анализом перспектив маркетинга, управлением финансами, персоналом, складским хозяйством, учетом основных фон-
дов и т.п. Системы MRP-2 ориентированы, главным образом, на бизнес-
функции, непосредственно связанные с производством. В некоторых слу-
чаях системы SCM и MRP-2 входят как подсистемы в ERP, в последнее
время их чаще рассматривают как самостоятельные системы.
Промежуточное положение между АСУП и АСУ ТП занимает производственная исполнительная система MES (Manufacturing Execution
Systems), предназначенная для решения оперативных задач управления
проектированием, производством и маркетингом.
В состав АСУТП входит система SCADA (Supervisory Control and
Data Acquisition), выполняющая диспетчерские функции (сбор и обработка
данных о состоянии оборудования и технологических процессов) и помогающая разрабатывать ПО для встроенного оборудования. Для непосредственного программного управления технологическим оборудованием используют системы CNC (Computer Numerical Control) на базе контроллеров
65
(специализированных компьютеров, называемых промышленными), которые встроены в технологическое оборудование с числовым программным
управлением (ЧПУ). Системы CNC называют также встроенными компью-
терными системами.
Рис. 3.2. Общая структура управления
Система CRM используется на этапах маркетинговых исследований
и реализации продукции, с ее помощью выполняются функции управления
отношениями с заказчиками и покупателями, проводится анализ рыночной
ситуации, определяются перспективы спроса на планируемые изделия.
Функции обучения обслуживающего персонала выполняют интерак-
тивные электронные технические руководства IETM (Interactive Electronic
Technical Manuals). С их помощью выполняются диагностические операции, поиск отказавших компонентов, заказ дополнительных запасных де-
талей и некоторые другие операции на этапе эксплуатации систем.
Управление данными в едином информационном пространстве на
протяжении всех этапов жизненного цикла изделий возлагается на систему
PLM (Product Lifecycle Management). Под PLM понимают процесс управ-
ления информацией об изделии на протяжении всего его жизненного цик-
ла. Отметим, что понятие PLM-система трактуется двояко: либо как инте-
грированная совокупность автоматизированных систем
CAE/CAD/CAM/PDM и ERP/CRM/SCM, либо как совокупность только
средств информационной поддержки изделия и интегрирования автоматизированных систем предприятия, что практически совпадает с определени-
66
ем понятия CALS. Характерная особенность PLM – возможность поддерж-
ки взаимодействия различных автоматизированных систем многих пред-
приятий, т.е. технологии PLM являются основой, интегрирующей инфор-
мационное пространство, в котором функционируют САПР, ERP, PDM,
SCM, CRM и другие автоматизированные системы многих предприятий.
3.1.3. Структурное моделирование производственных систем.
Структурное моделирование в СALS-технологиях
Математическая модель – это упрощенное описание реальности с
помощью математических понятий.
Формальная классификация моделей:
- линейные или нелинейные модели;
- сосредоточенные или распределённые системы;
- детерминированные или стохастические;
- статические или динамические;
- дискретные или непрерывные.
Математическое моделирование – процесс построения и изучения
математических моделей реальных процессов и явлений. Все естественные
и общественные науки, использующие математический аппарат, по сути,
занимаются математическим моделированием: заменяют реальный объект
его моделью и затем изучают последнюю. Как и в случае любого модели-
рования, математическая модель не описывает полностью изучаемое явле-
ние, и вопросы применимости полученных таким образом результатов яв-
ляются весьма содержательными.
Особенностью CALS-технологий является необходимость представ-
ления информации обо всех объектах и процессах, функционирующих на
всех этапах жизненного цикла изделий, в едином компьютеризованном
информационном пространстве. Информация, формируемая при проекти-
ровании, производстве, эксплуатации, техническом обслуживании, ремонте и утилизации изделия, используется и преобразуется при решении раз-
нообразных задач. Многие факторы, влияющие на решение этих задач,
плохоформализуемы, и поэтому возможности традиционных математиче-
ских методов решения часто оказываются недостаточными.
При отсутствии формализованных методов решения некоторых задач
компьютеризованного интегрированного производства во всем мире бурно
развиваются экспертные системы и унифицированные языковые средства
представления используемой информации.
67
Широко известна методология SADT, послужившая основой для со-
здания языка представления данных EXPRESS, регламентированного
стандартом ISO 10303. Все большее распространение получает унифици-
рованный язык моделирования UML, в большей мере отражающий специфику описания структуры и процессов функционирования сложных систем. Несмотря на создание указанных средств, проблема разработки методов моделирования CALS-технологий остается весьма актуальной.
Важнейшим компонентом любой АС обработки информации является математическое обеспечение – совокупность математических методов,
моделей и алгоритмов, применяемых в автоматизированной системе. Поскольку CALS-технология охватывает все этапы жизненного цикла изделия, математическое обеспечение всех используемых в ней автоматизированных систем обработки информации должно быть интегрированным,
взаимосвязанным через единую систему математического моделирования,
обеспечивающую:
- создание взаимосвязанных моделей разнородных объектов и процессов (изделий; средств проектирования, производства и эксплуатации;
процессов проектирования, производства, управления и т.п.);
- построение взаимосвязанных моделей, соответствующих разному
уровню знаний и различной полноте представления данных о моделируе-
мом объекте или процессе;
- прозрачность моделей, смысловую ясность и понятность всех их
данных, отношений и связей для пользователя системы;
- адаптацию других методов моделирования, моделей и алгоритмов с
целью включения их в единую систему моделирования.
Одной из таких систем, ориентированных на комплексное компьютерное моделирование всех этапов жизненного цикла изделий машиностроения, является разработанная в нашей стране иерархическая система
математического моделирования объектов на различных уровнях абстра-
гирования ИСТРА (Иерархическая система трансляции).
Математической основой системы ИСТРА является аппарат поли-
хроматических множеств и полихроматических графов. Изделия машиностроения и средства обеспечения их жизненного цикла представляют собой сложные технические системы. Одним из важнейших факторов, определяющих эффективность сложной технической системы, является ее
структура, характеризующая состав и взаимосвязь включенных в нее компонентов. При структурном моделировании сложных систем широко используется традиционный математический аппарат теории множеств и
68
теории графов. Однако такой аппарат не имеет развитых средств описания
разнородных и разнообразных свойств объектов, моделируемых элементами множества или вершинами и ребрами графа, что затрудняет практическое применение данного аппарата при моделировании технических, организационно-экономических, экологических и других реальных систем.
Указанный недостаток математического аппарата обычных множеств
и графов во многом устраняется при использовании полихроматических
множеств и графов. Свойства, состояние и поведение любой системы взаимосвязаны со свойствами элементов этой системы.
В технических системах эти свойства могут иметь различную природу и разнообразные качественные и количественные отношения и связи.
Для содержательного моделирования таких систем необходимы средства
формализованного представления свойств системы и ее элементов. Такими
средствами и обладает математический аппарат теории полихроматических множеств. В отличие от обычного множества в полихроматическом
множестве представляются составы не только абстрактных элементов, но
и свойств множества и его элементов. Полихроматический граф представ-
ляется полихроматическим множеством вершин и полихроматическим
множеством своих ребер или дуг. При представлении структуры техниче-
ской системы полихроматическими множествами и графами оказывается
возможным формализованное описание состояния и поведения моделиру-
емой системы через описание состава и изменений свойств элементов самой системы в процессе ее функционирования под воздействием внешней
среды. Такой аппарат моделирования разрабатывался вначале в связи с созданием автоматизированных систем технической подготовки машиностроительного производства. Структурное моделирование технических систем с использованием аппарата полихроматических множеств и графов
было апробировано в различных отраслях машиностроения, и в 80-е годы
XX в. отражено в нормативно-технических документах Госстандарта, ре-
гламентирующих автоматизированное решение задач конструкторской и
технологической подготовки производства. Современные исследования
показывают, что методы математического моделирования технических си-
стем и изделий на всех этапах их жизненного цикла, создаваемые на основе теории полихроматических множеств и графов, органически вписыва-
ются в методологию создания CALS-технологий, способствуя повышению
эффективности их применения в машиностроении.
Имитационное моделирование – это метод исследования, при ко-
тором изучаемая система заменяется моделью, с достаточной точностью
69
описывающей реальную систему, и с ней проводятся эксперименты с целью получения информации об этой системе.
Экспериментирование с моделью называют имитацией (имитация –
это постижение сути явления, не прибегая к экспериментам на реальном
объекте). Имитационное моделирование – это частный случай математиче-
ского моделирования. Существует класс объектов, для которых по различ-
ным причинам не разработаны аналитические модели либо не разработаны
методы решения полученной модели. В этом случае аналитическая модель
заменяется имитатором или имитационной моделью.
Имитационным моделированием иногда называют получение част-
ных численных решений сформулированной задачи на основе аналитиче-
ских решений или с помощью численных методов.
Имитационная модель – логико-математическое описание объекта,
которое может быть использовано для экспериментирования на компьюте-
ре в целях проектирования, анализа и оценки функционирования объекта.
К имитационному моделированию прибегают, когда:
- дорого или невозможно экспериментировать на реальном объекте;
- невозможно построить аналитическую модель: в системе есть вре-
мя, причинные связи, последствие, нелинейности, стохастические (случай-
ные) переменные;
- необходимо сымитировать поведение системы во времени.
Цель имитационного моделирования состоит в воспроизведении по-
ведения исследуемой системы на основе результатов анализа наиболее су-
щественных взаимосвязей между ее элементами или, другими словами, в
разработке симулятора (англ. simulation modeling) исследуемой предметной области для проведения различных экспериментов.
Имитационное моделирование позволяет имитировать поведение системы во времени, причём плюсом является то, что временем в модели
можно управлять: замедлять в случае с быстропротекающими процессами
и ускорять для моделирования систем с медленной изменчивостью. Можно
имитировать поведение тех объектов, реальные эксперименты с которыми
дороги, невозможны или опасны. С наступлением эпохи персональных
компьютеров производство сложных и уникальных изделий, как правило,
сопровождается компьютерным трёхмерным имитационным моделированием. Эта точная и относительно быстрая технология позволяет накопить
все необходимые знания, оборудование и полуфабрикаты для будущего
изделия до начала производства. Компьютерное 3D моделирование теперь
не редкость даже для небольших компаний.
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]