Промислова автоматизація: рух від САПР до PLM

Олег Зиков, IT News

Тема САПР і промислової автоматизації привертає все більшу увагу IT-преси, і це не випадково. У 1990-і роки підприємства захопилися автоматизацією бухгалтерського і фінансового обліку, корпоративного управління. Поза полем зору керівників часто залишався виробничий сектор, але ж саме він є основою функціонування підприємства і найважливішим джерелом прибутку. На сучасному російському ринку все помітніше стають важливі структурні зміни: підприємства переходять від автоматизації розрізнених ділянок конструкторсько-технологічної підготовки виробництва до створення єдиного інформаційного простору як в рамках заводу, так і в рамках холдингових структур. Дана тенденція, хоча і з деяким запізненням, починає відповідати загальносвітовій практиці.

Чим характерний бізнес у виробничій сфері? Давайте подивимося на діаграму тимчасових і матеріальних витрат промислового підприємства. Не менш 70% витрат припадає на виробничі функції, і саме в сфері виробничої діяльності можуть бути приховані основні резерви, що сприяють скороченню термінів випуску нової продукції та підвищення конкурентоспроможності підприємства. А що таке виробництво? Зазвичай 5-10% часу, який відводиться для самого процесу, займає безпосередньо випуск вироби, а все інше -- підготовчі роботи.

Тимчасові і матеріальні витрати промислового підприємства

Використання інформаційних технологій - один з небагатьох технологічно та економічно вигідних способів підвищення ефективності підготовки виробництва. Це відомо давно і сумнівів не викликає. Основним інструментом автоматизації конструкторських і технологічних підрозділів, як і раніше залишаються системи автоматизованого проектування (САПР). У статті мова піде про те, які напрямки актуальні в даній області, чим сьогодні живуть відділи САПР російських промислових підприємств. Але перш ніж говорити про сучасні тенденції, декілька слів з історії.

З чого починався САПР

Створення складного вироби немислимо без його графічного подання - малюнка, схеми, креслення, проте впродовж століть не існувало системного підходу до цих ілюстрацій, і в кресленнях Леонардо да Вінчі розібратися комусь іншому було вельми проблематично. Бурхливий розвиток промисловості у XIX-XX століттях зажадало від креслення універсальності - креслення, виконаний одним інженером, повинен зрозуміти будь-який інший спеціаліст, який має відповідну освіту. У результаті з'явилися стандарти на оформлення, а конструктора отримали Кульман - зручний інструмент для виконання креслень.

Але з часом ручне креслення перестало влаштовувати. Чим? Швидкістю! Постійно збільшувалися обсяги робіт, а головне - зростала кількість типових розробок на основі існуючих виробів, посилилися вимоги до термінів випуску виробу. І тут як не можна до речі почала інтенсивно розвиватися комп'ютерна галузь: поява доступних і не дуже складних в освоєнні (у порівнянні з тим, що було раніше) комп'ютерів дали старт конструкторським систем CAD (Computer-Aided Design). Спочатку такі системи являли собою електронні кульмани - все, що колись робилося олівцем і лінійкою, було замінено відповідними електронними командами, але не більше того. Проте навіть така автоматизація приносила плоди: у міру накопичення бази електронних креслень все легше ставало проектувати нові та модифіковані вироби.

Двовимірні проектування активно розвивалося до середини 1990-х років. Системи обзавелися незліченною кількістю програм, бібліотек, надбудов, що дозволили максимально автоматизувати і спростити більшість креслярських завдань. З'явилися і розвинулися в окремі напрямки розрахункові системи CAE (Computer-Aided Engineering), системи проектування обробки виробів на верстатах з числовим програмним управлінням CAM (Computer-Aided Manufacturing) і багато інших спеціалізовані програми, що базуються на роботі з даними, наданими CAD-системами. Паралельно розвивався клас систем технологічної підготовки виробництва САПР ТП (Computer-Aided Process Planning, CAPP), призначених для формування технологічних даних про виріб, ведення централізованого архіву цієї інформації та автоматизованого випуску технологічної документації.

Однак плоске проектування все-таки неприродно для людини - адже ми мислимо в тривимірному просторі, живемо в оточенні тривимірних об'єктів. І розвиток обчислювальних систем дозволило вивести технології проектування на новий рівень.

"Драбина" розвитку систем промислової автоматизації

Якісний стрибок

Поява тривимірного моделювання виявилося справжнім проривом, спочатку доступним тільки користувачам потужних графічних Unix-станцій. По-справжньому масовим 3D-моделювання стало ближче до середини 1990-х років, коли 3D-CAD-системи були переведені на платформу PC. Які ж вигоди надало просторове конструювання?

Перше перевага ми вже назвали: конструкторам не доводиться "переводити свої думки "з просторового в плоский вид. Якісно змінився процес проектування: тепер розробник відразу бачить свою конструкцію такою, якою вона і буде в дійсності.

Допомагає об'ємна модель і в реалізації маси супутніх функцій. 3D-модель можна використовувати для вирішення розрахункових завдань (аналіз напружень, переміщень, коливань, гідродинаміки, теплопередачі), підготовки керуючих програм для верстатів з ЧПК, а також реалістичних зображень для технічної документації і рекламних матеріалів, створення фізичних зразків на установках швидкого прототипирування. Ну і звичайно, по 3D-моделі створюються креслення - причому робити це суттєво простіше, ніж вручну, оскільки вся геометрія на кресленні формується автоматично, дозволяє конструктору не замислюватися про правильність побудови видів, розрізів і перерізів.

Слідом за CAD-системами практично всі CAM/CAE-пакети стали тривимірними, дозволивши в деяких випадках відмовитися від креслення взагалі. Швидше за все, на підході і технологічні САПР, що працюють безпосередньо з конструкторської 3D-моделлю.

Якщо підсумувати все вищесказане, то не важко визначити найважливіша перевага тривимірного моделювання: тепер помилки можна знайти і виправити на ранній стадії проектування, до появи перших дослідних зразків. А корекція проекту на цифровий стадії незрівнянно дешевше, ніж виявлення недоліків після виготовлення дорогої дослідної партії. Ще п'ятнадцять років тому аналітична компанія Gartner Group зробила оцінку вартості виправлення однієї-єдиної помилки на різних стадіях підготовки виробництва:

$ 1 Концептуальне проектування

$ 10 Конструкторська опрацювання вироби

$ 100 Виготовлення макету виробу

$ 1 000 Проектування технологічного оснащення

$ 10 000 Виготовлення оснащення

$ 100 000 Випуск настановної серії

$ 1 000 000 Серійне виробництво

Системи 3D-моделювання бурхливо розвивалися, дозволяючи вирішувати всі нові завдання, наприклад, такі як створення модулів згинання й штампування листового матеріалу, прокладка електричних з'єднань, трубопроводів, поверхневе моделювання складних зовнішніх форм, перевірка збирання і працездатності конструкції, і багато інше. В даний час нелегко знайти задачу, яку не можна вирішити за допомогою сучасних потужних CAD-систем.

Втім, було б неправильно говорити, що 3D-системи досягли вершини свого розвитку і проблем у цьому напрямку немає. Вони існують. Так, моделювання великих збірок, що складаються з десятків і сотень тисяч деталей, все ще є складним для багатьох CAD-систем, ергономіка роботи конструктора поки що далека від ідеалу. До того ж чим потужніший система, тим вона важче в освоєнні і роботі. Короче, резерви для вдосконалення є, і чималі.

А що сталося з плоскою графікою? 2D-проектування не вмерло. По-перше, багато компаній звикли працювати в площині і створили безліч бібліотек і додатків саме для автоматизації 2D-робіт. По-друге, є області, які традиційно залишаються двомірними незалежно від ступеня використання 3D -- наприклад, розробка електричних схем. У результаті ми маємо найширший вибір програмних продуктів, від легких узкофункціональних двовимірних рішень (є навіть вільно поширювані САПР-пакети) до САПР важкого класу вартістю в десятки тисяч доларів за робоче місце, що дозволяють здійснити повний цикл розробки як завгодно складного виробу.

Отже, автоматизувавши за допомогою комплексу CAD/CAM/CAE/CAPP всі напрями підготовки виробництва, підприємство отримує в свої руки цифрову модель вироби - це більш високий рівень, ніж просто використання 3D-CAD-системи. Цифрова модель містить як геометрію вироби, так і всі необхідні розрахункові дані, карти технологічних процесів, відомості, керуючі програми для верстатів, електронні опису вироби і технічні керівництва. Всі чудово? На жаль, величезний масив цифрової інформації не тільки приносить користь, але і доставляє значні клопоти що створив його підприємству.

Нові завдання - нові рішення

Проста автоматизація робочих місць перестала влаштовувати підприємства. Чому? Час -- ось найважливіший фактор діяльності промислового підприємства. В умовах підсилюється, керівництву підприємства необхідно вирішувати питання росту і оперативної зміни номенклатури виробів, що випускаються. Економічний ефект від "клаптикової" автоматизації мінімальний - адже процес проектування залишається послідовним, як у часи креслярських дощок: конструктори створюють документацію, передають її технологам, забирають назад на коректування, повертають виправлену документацію технологам, ті готують технологічну документацію, узгоджують із постачальників і економістами і так далі. У результаті ні повної економічної віддачі, ні дійсно значущого скорочення терміну підготовки виробництва автоматизація не приносить, хоча позитивний ефект і досягається.

Не варто забувати, що розробка і підготовка виробництва складної, високотехнологічної продукції - груповий процес, до якого залучено десятки і сотні фахівців підприємства або навіть групи підприємств. У процесі розробки вироби виникає ряд проблем, що впливають на загальний успіх. Це в першу чергу відсутність можливості бачити ключові ресурси, залучені в процес розробки, в їх фактичний стан на даний момент часу, це організація спільної роботи колективу фахівців із залученням компаній, постачають які-небудь компоненти для розробляється вироби. Істотно скоротити терміни підготовки виробництва можна тільки одним способом - за рахунок паралельного виконання робіт і тісної взаємодії всіх учасників процесу. Це завдання можна вирішити за рахунок створення єдиного інформаційного простору (ЕІП) підприємства, іншими словами, єдиного простору цифрових даних про корпоративну продукції.

І тут на сцену виходить новий клас систем, націлених на вирішення завдань організації та координації робіт інженерного персоналу, - систем управління даними про виріб, PDM (Product Data Management). Конструктори, технологи та інші фахівці не тільки отримують інформацію про виріб, але і доповнюють її, формуючи склад виробу, який буде актуальним для різних служб підприємства. У подальшому, після виготовлення виробів, інформація про нього буде використана сервісними підрозділами для планового обслуговування, замовником - для конфігурування готової продукції під свої специфічні потреби, а інженерним складом - для модернізації та виготовлення нового виробу на основі вже спроектованого.

Ще в 1980-х роках постачальники САПР почали вирішувати проблему збереження цифрової документації - так з'явилися перші системи електронного архіву. Архівування і зараз залишається однією з функцій PDM-систем. Однак сучасні PDM вирішують набагато більш широке коло завдань, дозволяючи повноцінно реалізувати наступну щабель розвитку САПР-технологій, акумулювати цифрову інформацію про виріб і безперервно керувати (це ключове слово) даною інформацією протягом усього життєвого циклу виробу (ЖЦІ). Ми назвали концепцію PLM (Product Lifecycle Management) - принциповим моментом сучасного етапу автоматизації промислового виробництва.

А що являє собою життєвий цикл виробу? Його основні етапи такі:

Маркетингові дослідження потреб ринку.

Науково-дослідні і дослідно-конструкторські роботи (НДДКР).

Підготовка виробництва вироби на заводі-виробнику серійної продукції.

Власне виробництво і збут.

Експлуатація та обслуговування виробів.

Утилізація виробів.

Підтримка продукції, що випускається на кожному етапі життєвого циклу виробу - безумовне вимога до сучасного промислового підприємству. Відомо, що вироби, вимагають великих витрат у початковий період свого життєвого циклу, звичайно менш рентабельні, ніж продукція, інвестиції в яку рівномірно розподілені під часу або навіть зрушені на більш пізні терміни.

"Фінансовий профіль "проекту створення, освоєння та виробництва нового виробу

Скорочення термінів НДДКР та підготовки виробництва не тільки збільшує прибуток компанії за рахунок реалізації додаткової продукції, а й вивільняє кошти для розробки нових продуктів, підвищуючи загальний дохід підприємства. Реалізація концепції PLM дозволяє реально скоротити невиробничі стадії ЖЦІ. За рахунок чого це досягається? Розглянемо докладніше функціонування основного ядра будь-якого PLM-комплексу, системи PDM.

PDM-система крупним планом

Отже, основне призначення PDM-системи - вдосконалення та полегшення доступу до даними про виріб. Такий результат досягається завдяки інтеграції всієї інформації про виріб у логічно єдину модель. Існує багато завдань, які вирішуються за допомогою PDM-системи, серед них можна виділити найбільш поширені:

Створення електронного архіву креслень та іншої технічної документації.

Створення ЕІП для всіх учасників життєвого циклу виробу.

Автоматизація управління конфігурацією вироби.

Побудова системи якості продукції відповідно до міжнародних стандартів якості серії ISO 9000.

PDM-система керує всіма пов'язаними з виробом інформаційними процесами (у першу чергу, проектуванням вироби і технологією її виробництва), а також всієї інформацією про виріб - його складом і структурою, геометричними даними, кресленнями, планами проектування та виробництва, нормативними документами, програмами для верстатів з ЧПК, результатами аналізу, кореспонденцією, даними про партії та окремих примірниках вироби і багатьом іншим.

PDM-система виступає як засіб інтеграції безлічі використовуються на підприємстві прикладних автоматизованих систем (CAD/CAM/CAE/CAPP/ERP/MRP) за рахунок збору надходить з них інформації у логічно єдину модель на основі стандартних інтерфейсів взаємодії.

Користувачами PDM-системи можуть бути всі працівники всіх підприємств-учасників життєвого циклу виробу: конструктори, технологи, працівники технічного архіву, а також співробітники, що працюють в інших предметних областях (збут, маркетинг, постачання, фінанси, сервіс, експлуатація і т. п.). Головне завдання PDM-системи -- надати відповідному співробітнику необхідну інформацію в потрібний час і в зручній формі (відповідно до прав доступу).

Схема функціонування PDM-системи в єдиному інформаційному просторі

Функціонал PDM-системи можна чітко розділити на кілька груп.

Управління архівом інформації. Всі документи в PDM-системі зберігаються в спеціальній підсистемі - електронному архіві, який забезпечує цілісність даних, організує доступ до них користувачів у відповії з призначеними правами і дозволяє здійснювати пошук. Зрозуміло, мова йде про електронні документи.

Управління процесами. PDM-система виступає в якості робочого середовища користувачів і відстежує всі їхні дії, включаючи версії створюваних ними даних. Крім того, PDM-система керує потоком робіт (наприклад, у процесі проектування виробу) і займається протоколюванням дій користувачів і змін даних.

Управління складом виробу. PDM-система містить інформацію про склад виробу, його виконання і конфігураціях. Важлива особливість - наявність декількох уявлень складу вироби для різних предметних областей (конструкторський склад, технологічний склад, маркетинговий склад і т. д.), а також управління застосовність компонентів вироби.

Класифікація. PDM-система дозволяє розподіляти вироби та документи відповідно до різними класифікаторами. Це може бути використано при автоматизації пошуку виробів з потрібними характеристиками з метою їх повторного використання або для автоматизації привласнення позначень компонентів вироби.

Допоміжні функції, що забезпечують взаємодію PDM-системи з іншими програмними засобами, з користувачами, а також взаємодію користувачів один з одним.

Не торкаючись особливостей конкретних PDM-систем, відзначимо кілька моментів, важливих для тих підприємств, які вже усвідомили необхідність реалізації концепції PLM. З чого ж почати?

Впровадження: готовність до змін

Впровадження PDM - тривалий процес, що супроводжується залученням значних ресурсів як з боку підприємства, так і з боку постачальника програмного забезпечення. Буде потрібно вносити зміни у всі процеси - від роботи конструктора до повного перегляду стандартів підприємства. PDM-система не просто програмне забезпечення, яке можна встановити і забути. Це нова технологія роботи підприємства, новий режим функціонування бізнесу.

Оскільки PDM-система призначена практично для всіх підрозділів, для її розгортання необхідно створити спеціальну проектну групу, очолювану керівником проекту. Дуже важливо, щоб керівник проекту належав до вищому керівництву підприємства або йому було делеговано такі повноваження на час впровадження проекту. До групи з боку підприємства обов'язково повинен увійти адміністратор системи - він займеться встановленням і підтримкою працездатності PDM-системи. Крім того, необхідні фахівці, які досконало знають, яким чином відбувається рух різної документації і які зміни вона при цьому зазнає. Такі співробітники допоможуть при налагодженні і адаптації системи. В проектну команду треба включати і кількох досвідчених користувачів. З боку компанії-запроваджувачем PDM в проектну команду повинні увійти керівник проекту (він же постановник задач) і група інженерів з впровадження.

Етапи впровадження PDM-системи

Перед проектною групою ставиться цілий комплекс завдань: встановлення системи, організація роботи та налаштування серверів, налагодження та наповнення баз даних та їх адаптація до вимогам підприємства, організація автоматизованого обміну завданнями між співробітниками і підрозділами. Як видно, обсяг робіт значний -- впроваджувальний проект PDM-системи за трудомісткістю не поступається впровадження системи управління корпоративного рівня.

Підводимо підсумки

Отже, для сучасного підприємства, вибудовувати довгострокову стратегію розвитку, реалізація концепції PLM стає не тільки привабливішою, але й необхідної складової бізнесу, оскільки тільки через концепцію PLM можна зібрати разом та керувати даними про корпоративну продукції, зробивши їх найважливішим бізнес-ресурсом.

При підготовці статті використано матеріали компаній Dassault Systems і АСКОН.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.citforum.ru/