Современные информационные технологии в ТПП приборостроительного предприятия

1

ПЛЕНАРНОЕ ЗАСЕДАНИЕ

СОВРЕМЕННЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ТПП ПРИБОРОСТРОИТЕЛЬНОГО ПРЕДПРИЯТИЯ

Е.И. Яблочников

В статье рассматриваются методологические основы построения автоматизированных систем технологической подготовки производства (ТПП) в приборостроении на базе современных информационных технологий, включающих в себя универсальные решения класса PLM (Product Lifecycle Management).

Введение

Разработка методов автоматизации ТПП в приборостроении и машиностроении является одним из традиционных направлений научной деятельности СПбГУ ИТМО. В разработке теоретических основ построения АСТПП и достижении практических результатов большая роль принадлежит проф. С.П. Митрофанову, Д.Д. Куликову, Б.С. Падуну [1]. Однако за последние полтора десятилетия в развитии информационных технологий произошли радикальные изменения, что потребовало пересмотра как основных принципов построения АСТПП, так и многих методов их реализации. Радикальные изменения связаны не только с широким внедрением в производственную среду персональных компьютеров, локальных и глобальных вычислительных сетей. Появились развитые средства трехмерного компьютерного проектирования (CAD-системы), инженерного анализа (CAE-системы), разработки управляющих программ для оборудования с ЧПУ (CAM-системы), системы единой информационной поддержки всех этапов жизненного цикла изделий (PDM-системы), системы визуального моделирования предметной области [2]. В связи с этим возникает вопрос о методологии построения АСТПП на базе использования этих систем. С их помощью реализация таких основных принципов АСТПП, как принцип открытости, принцип модульности, принцип декомпозиции и других? должна быть переведена на качественно новый уровень.

1. ИПИ/CALS и PLM-технологии

Основополагающим принципом использования информационных технологий в сфере ТПП является следование принципам ИПИ/CALS, согласно которым реальные бизнес-процессы отображаются на виртуальную информационную среду, в которой определение продукта представлено в виде полного электронного описания изделия, а среда его создания и среда эксплуатации - в виде систем моделирования процессов и их реализации. В области подготовки производства принципы ИПИ/CALS нашли свое отражение в создании ряда универсальных программных систем, обеспечивающих комплексную поддержку этапов ЖЦИ на основе концепции PLM (Product Life-cycle Management - управление жизненным циклом продукта) [3]. В соответствии с определением CIMdata, известного в мире независимого эксперта в данной области, «PLM -это стратегический подход к ведению бизнеса, который использует набор совместимых решений для поддержки общего представления информации о продукте в процессе его создания, реализации и эксплуатации, в среде расширенного предприятия, начиная от концепции создания продукта до его утилизации - при интеграции людских ресурсов, процессов и информации». На основании этого определения можно выделить следующие основные требования к PLM-решениям [4]:

• возможность универсального, безопасного и управляемого способа доступа и использования информации, определяющей изделия;

• поддержание целостности информации, определяющей изделие, на протяжении всего жизненного цикла изделия;

• управление и поддержка бизнес-процессов, используемых при создании, распределении и использовании информации.

Внедрение PLM-решений тесно связано с проведением реинжиниринга бизнес-процессов, что является одним из основных принципов ИПИ/CALS. Под реинжинирингом понимается «фундаментальное переосмысление и радикальное перепроектирование бизнес-процессов компаний для достижения коренных улучшений в наиболее важных показателях их деятельности» [2].

Базовыми системами, обеспечивающими реализацию стратегии PLM, являются системы классов CAD/CAM, CAE, PDM. При комплексной автоматизации процессов ТПП, CAD/CAM и CAE-системы становятся (в качестве подсистем АСТПП) средствами автоматизации выполнения различных проектных процедур, а PDM-система - средством для реализации процессов управления ТПП. Одновременно PDM-система является базовым средством, с помощью которого реализуется единое информационное пространство как для сферы ТПП, так и для других этапов жизненного цикла изделия. Наряду с клиент-серверной архитектурой, современные PDM-системы содержат средства, обеспечивающие работу над проектом для удаленных пользователей через Интер-нет/Интранет. Это позволяет организовывать эффективную совместную работу над проектом в среде расширенного или виртуального предприятия.

2. Теоретические положения

АСТПП создается как информационная система, в которой автоматизированные рабочие места функционируют в едином информационном пространстве (ЕИП), основанном на использовании PDM-системы. ЕИП ТПП содержит информацию о деталях и сборочных единицах изделия, о технологических процессах изготовления изделия, информацию об оборудовании и средствах технологического оснащения, нормативно-справочную информацию, планово-учетную информацию. Подход, основанный на создании единого информационного пространства, является основополагающим, так как определяет не только информационное взаимодействие между подсистемами ТПП, но и способы организации жизненного цикла изделия на стадии ТПП. Теоретической основой организации и ведения проектов в ЕИП с использованием PDM-системы является обобщенная модель изделия (GMP), содер жащая информацию об изделии, зафиксированную на текущий момент t и представляющая собой систему связанных информационных объектов: GMPt = <MIOt, GrMPt >; MIOt = {IOt,i}, i=1, ..., nt, где MIO -множество информационных объектов, а GrMP - направленный граф, фиксирующий логические и иерархические связи между объектами. Каждый информационный объект IO - это комплекс, состоящий из объекта, порожденного одним из классов объектно-ориенти-рованной модели данных ТПП, и из множества моделей различного типа -распорядительных, графических, параметрических, функциональных и других, отражающих текущее состояние объекта. В процессе функционирования подсистем ТПП выполняются преобразования информационных объектов. На основе проведенных исследований разработаны методы преобразования объектов, вошедшие как составная часть объектно-ориентированной модели ТПП.

Современные формы кооперации предприятий при выполнении подготовки производства новых изделий основываются на использовании расширенных/виртуальных предприятий. В этом случае ЕИП должно быть создано для всех участников такой кооперации. Под виртуальной ТПП изделия будем понимать технологическую подготовку

производства, выполняемую географически удаленными разнопрофильными компаниями - организационными единицами (ОЕ), объединенными на основе информационных технологий на время выполнения заказов на ТПП изделия. Организационные единицы объединены между собой в единую сеть ресурсов, специализированную на выполнение заказов определенного типа. Сеть ресурсов может быть выражена в виде направленного графа SR: SR=<VSR, DSR>; VSR={vs/>, vs,=l,...,nv; DSR={dsy}, ds/=l,.. ,,nd. В этом графе вершины vs;- отображают ОЕ, а дуги dsy- - функциональные и информационные связи между ними. Под функциональной связью понимается связь, отражающая последовательность выполнения заказа организационными единицами; информационная связь предполагает возможность передачи информации об изделии и технологии его изготовления.

Задача конфигурирования заказов заключается в объединении работ по ТПП изделия в заказы, которые могут быть переданы на выполнение в соответствующие ОЕ. При выполнении заказов обычно используются не все ресурсы сети, и по мере разворачивания обобщенной модели изделия происходит захват новых ресурсов на основе формирования новых заказов. Таким образом, сеть ресурсов является динамической сетью, в которой меняются как состав вершин, так и связи между вершинами. Сеть ресурсов, которая в данный момент используется для выполнения заказов, будем называть рабочей или текущей сетью ресурсов. В теоретическом плане указанные действия можно выразить как проецирование GMP на сеть ресурсов: SRf=PRO(SIf, GMPf), где PRO - операция проецирования; SIt - исходная сеть ресурсов на момент времени t; SRt -рабочая сеть ресурсов на момент времени t.

Задача распределения заказов в общей постановке является достаточно сложной, и для ее решения могут использоваться различные методы, например, многоагентные технологии. Этот метод в настоящее время является лидирующим в области распределенных приложений. Управление виртуальной ТПП основывается на использовании многоуровневой сети деловых процессов (бизнес-процессов), реализуемой технологией workflow. При этом каждая ОЕ также имеет свою сеть делового процесса.

Реализация подхода, основанного на организации работы специалистов предприятия в едином информационном пространстве, позволит:

• принимать и хранить проект изделия в электронном виде;

• эффективно отслеживать текущее состояние ТПП изделия;

• обеспечивать целостность, непротиворечивость и отсутствие дублирования данных;

• организовывать быстрый авторизованный просмотр всех моделей и документов;

• обеспечивать оперативный обмен информацией между пользователями АСТПП;

• обеспечивать быстрое прохождение конструкторских и технологических изменений;

• автоматизировать процессы управления потоками производственных заданий в сфере ТПП;

• обеспечивать информационную согласованность работы всех подсистем АСТПП;

• поддерживать открытость АСТПП, удобство адаптации к меняющимся условиям производства;

• обеспечивать информационный обмен с системами, выполняющими поддержку различных этапов жизненного цикла изделия.

3. Организационные аспекты

Задача создания АСТПП относится к категории сложных проектов, где понятие «проект» рассматривается в широком смысле, как некоторый вид целенаправленной деятельности. В связи с этим важное значение приобретают организационные аспекты создания АСТПП. В отличие от периода создания первых АСТПП, сегодня нет необхо-

димости программировать всю систему «с нуля», используя лишь такие инструментальные средства, как высокоуровневые языки программирования и системы управления базами данных. PLM-решения на базе PDM/CAD/CAE/CAM-систем предоставляют мощный набор средств для организации единого информационного пространства, управления процессами ТПП, автоматизации конструкторско-технологического проектирования, инженерного анализа и моделирования технологических процессов, разработки управляющих программ для оборудования с ЧПУ. Использование PLM-решений во многом сводит задачу построения АСТПП к правильному выбору и конфигурированию инструментальных средств, их адаптации к условиям конкретного предприятия, настройке баз данных и баз знаний, разработке необходимых приложений, определению числа и видов автоматизированных рабочих мест, организации бизнес-процессов ТПП с использованием механизмов управления потоками производственных заданий. Важно осознавать, что процесс создания АСТПП не может быть оторван от других мероприятий по техническому перевооружению производства.

В настоящее время одной из наиболее сложных проблем отечественного машиностроения является нарушение преемственности поколений инженерного персонала, недостаток в квалифицированных специалистах (конструкторах, технологах, системных аналитиках, прикладных программистах и др.), наличие которых необходимо для успешной реализации проекта создания АСТПП. В связи с этим реализация проекта может выполняться с участием специализированных сторонних организаций. Деятельность таких инжиниринговых фирм можно классифицировать по следующим уровням - автоматизация рабочих мест, автоматизация бизнес-процессов и реинжиниринг бизнес-процессов.

Автоматизация рабочих мест включает поставку CAD/CAM и CAE-систем с соответствующим обучением и сопровождением. Кроме того, на этапе опытной эксплуатации систем инжиниринговая фирма может выполнять решение отдельных задач ТПП (виртуальное моделирование и анализ технологических процессов формообразования, разработка управляющих программ для многокоординатного оборудования с ЧПУ и др.).

Поставка PDM-системы непосредственно связана с автоматизацией бизнес-процессов и относится к сервисным работам второго уровня. Внедрение PDM-системы требует разработки структуры ЕИП ТПП, наполнения единой базы данных, разработки приложений средствами API, построения графиков workflow. Поэтому, если инжиниринговая фирма осуществляет поставку PDM-системы, она должна владеть этим кругом вопросов в той мере, в которой это требуется предприятию-заказчику.

Важно отметить, что задача выбора конкретных CAD/CAM, CAE и PDM-систем не является частью работ, связанных с поставкой, а относится к элементам реинжиниринга бизнес-процессов ТПП. В самом деле, для того, чтобы выставить требования к указанным базовым системам, определить количество и состав рабочих мест, необходимо иметь модели новых бизнес-процессов, построение которых является задачей реинжиниринга. Чтобы участвовать в решении этой задачи, инжиниринговая фирма должна не ограничиваться поставкой отдельных систем, а, как минимум, владеть информацией по широкому кругу конкурирующих программных продуктов. Так как инжиниринговые фирмы обычно являются поставщиками конкретных систем, то задача выбора базовых средств АСТПП в основном ложится на предприятие.

Несмотря на имеющуюся в распоряжении сотрудников предприятия аналитическую информацию, процесс выбора конкретных базовых систем требует, как правило, проведения дополнительного комплекса работ, в котором участвуют ведущие специалисты разного профиля. Это обосновано, так как приобретение систем влечет за собой изменения и в организационных структурах, в структуре персонала и в общей культуре предприятия. На крупных предприятиях может быть создана специальная комиссия, куда входят специалисты всех заинтересованных служб. В задачи комиссии входит

разработка критериев выбора системы, оценка различных систем и поставщиков, разработка планов освоения и внедрения системы, предусматривается период опытно-промышленной эксплуатации.

Работа инжиниринговой фирмы на следующем уровне сервиса может потребовать также участия в построении моделей бизнес-процессов ТПП, например, с помощью диаграмм ЦМЬ, или в поставке средств моделирования предметной области. Данные работы обеспечивают информационно-методологическую поддержку реинжиниринга ТПП, но также могут затрагивать более сложные проблемы, связанные с организационной перестройкой служб предприятия, оптимизацией бизнес-процессов, внедрением новых технологий и т. д.

Большую роль в активизации работ по внедрению АСТПП на предприятиях разных отраслей могут сыграть созданные университетом в кооперации с инновационными компаниями, разработчиками систем, реализующих РЬМ-технологии, и базовыми предприятиями научно-образовательные центры. Такие центры могут решать следующие задачи:

освоение РЬМ-технологий и их адаптация к конкретным производственным условиям отечественных предприятий;

обучение инженерно-технического персонала промышленных предприятий, оказание необходимых консультаций;

решение конкретных задач, связанных с проектированием и подготовкой производства новых изделий (по заказам предприятий);

подготовка студентов и аспирантов по применению РЬМ-технологий, переподготовка преподавателей университета;

обеспечение возможности выполнения научных и экспериментальных работ преподавателями, аспирантами и студентами университета.

4. Практические результаты

На базе разработанных теоретических положений и предложенных организационных принципов построения АСТПП был выполнен следующий комплекс работ [5].

1. Исследованы методы визуального моделирования предметной области ТПП с помощью современных средств (диаграммы ГОЕЬ, иМЬ, АШБ) и разработаны соответствующие методические материалы по их применению.

2. Построена и реализована средствами РБМ-системы структура единого информационного пространства ТПП, представляющая собой основу АСТПП.

3. Разработана САПР технологических процессов, интегрированная в среду ЕИП, что позволило обеспечить новый уровень гибкости и надежности АСТПП.

4. Разработаны методы ведения конструкторских и технологических проектов ТПП, а также принципы организации электронного архива конструкторской и технологической документации в среде РБМ-системы.

5. Выполнено внедрение на отечественных предприятиях современных САО/САМ-систем, реализующих комплексную автоматизацию процессов проектирования и изготовления сложной формообразующей оснастки.

5. Направления дальнейших исследований

В качестве перспективных для дальнейшей научной и методической деятельности по применению информационных технологий в сфере ТПП, можно отметить следующие направления:

1. переход от визуального моделирования предметной области к имитационному моделированию бизнес-процессов ТПП, что позволит существенно продвинуть-

ся в плане построения методики проведения реинжиниринга приборостроительных предприятий;

2. использование аппарата представления и использования корпоративных знаний, имеющегося в современных CAD-системах, в целях дальнейшего повышения уровня автоматизации проектных работ в сфере ТПП;

3. разработка методов распределенного функционирования ТПП в открытой информационной среде в рамках расширенных и виртуальных предприятий;

4. разработка методов планирования и управления развитием АСТПП на основе унифицированного процесса (UP), включая разработку метрик для оценки вариантов АСТПП;

5. разработка методов интеграции PDM и ERP-систем, которые позволят специалистам ТПП владеть оперативной информацией о текущем состоянии производственной системы.

Заключение

За последние полтора десятилетия в развитии информационных технологий произошли радикальные изменения, что потребовало пересмотра как основных принципов построения АСТПП, так и многих методов их реализации. Радикальные изменения связаны не только с широким внедрением в производственную среду персональных компьютеров, локальных и глобальных вычислительных сетей, но также с появлением систем 3D-проектирования (CAD-систем), инженерного анализа (CAE-систем), программирования оборудования с ЧПУ (CAM-систем), единой информационной поддержки всех этапов жизненного цикла изделий (PDM-систем), визуального моделирования предметной области. Это потребовало разработать методологию построения АСТПП на базе использования данных систем.

Разработанная методология включает в себя теоретические положения, формализацию структурных и организационных принципов создания АСТПП, методику визуального моделирования предметной области ТПП на базе использования диаграмм UML, объектно-ориентированную модель единого информационного пространства ТПП, методы ведения конструкторских и технологических проектов ТПП, а также методы организации электронного архива конструкторской и технологической документации в среде PDM-системы.

Литература

1. Митрофанов С.П., Куликов Д.Д., Миляев О.Н., Падун Б.С. Технологическая подготовка гибких производственных систем. / Под общ. ред. СП. Митрофанова. Л: Машиностроение, 1987. 352 с.

2. Зильбербург Л.И., Молочник В.И., Яблочников Е.И. Реинжиниринг и автоматизация технологической подготовки производства в машиностроении. СПб: Политехника, 2004. 152 с.

3. Рынок PLM растет и развивается. Обзор рынка PLM по материалам CIMdata. // CAD/CAM/CAE Observer. 2003. №2. С. 4-8.

4. Очередько С.А. Глобальная трансформация промышленного бизнеса и новая концепция управления жизненным циклом изделия. / Информационные технологии в наукоемком машиностроении. Компьютерное обеспечение индустриального бизнеса. / Под общ. ред. А.Г. Братухина. Киев: Техника, 2001. С. 626- 646.

5. Яблочников Е.И. Методологические основы построения АСТПП. СПб: СПбГУ ИТМО, 2005. 84 с.