Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса, цели и задачи исследования.. 7
1.1. Системы автоматизированного проектирования и управления предприятием 8
1.1.1. Системы управления на уровне производственного подразделения 9
1.1.2. Системы ERP/MRPII 10
1.2. Информационные технологии в проектировании и управлении 14
1.3. Цели и задачи исследования 33
ГЛАВА 2. Анализ предприятия как производящей системы 36
2.1. Анализ потенциала оборудования 39
2.2. Типизация продукции предприятия 41
2.3. Основные направления развития методов унификации изделий в условиях комплексной автоматизации производственных процессов 47
2.4. Автоматизация работ по унификации деталей на основе применения информационно-поисковых систем технологического назначения (PDM) 52
2.5. Организационные и информационные структуры автоматизированных машиностроительных производств 61
2.6. Имитационное моделирование АСС 66
2.7. Проблемы создания системы управления документооборотом, обеспечивающей выпуск новых изделий 68
2.8. Выводы 74
ГЛАВА 3. Предприятие как организационно-техническая система 75
3.1. Объекты машиностроения как технические системы 75
3.2. Жизненный цикл технической системы. Информация, порождаемая в процессе создания, функционирования и ликвидации технической системы. САПР - как техническая система 76
3.3. Модель преобразования информации в технической системе 79
3.4. Основные технические и организационные направления проектирования 82
3.5. Этапы проектных работ 88
3.6. Принципы построения систем автоматизированного проектирования (САПР) 94
3.7. Методологические принципы разработки проекта автоматизированных участков и цехов 99
3.7.1. Основы анализа и синтеза производственной системы 99
3.7.2. Состав и количество основного оборудования в АСС 109
3.8. Информационное обеспечение и учет хода производства 110
3.8.1. Основные информационные единицы 111
3.8.2. Организация документооборота 114
3.9. Выводы 116
ГЛАВА 4. Разработка рекомендаций по выбору методического и системного обеспечения, поддерживающего жизненный цикл технической системы 117
4.1. Жизненный цикл информационных систем 117
4.1.1. Применение стандартов CALS 119
4.1.2. Эффективность реализации CALS 121
4.1.3. Хранилище данных (Data Warehouse) как технология построения интегрированной модели изделия 122
4.1.4. Применение стандарта ISO 10303 STEP 124
4.2. Использование концепции жизненного цикла наукоемкой продукции 127
4.3. Основные программные комплексы, решающие задачи планирования и управления производством 130
4.3.1. Этапы развития интегрированных систем управления 130
4.3.2. Системы SCADA 131
4.3.3. Системы управления производственной информацией (PDM-системы) 132
4.3.4. Экономическое обоснование внедрения системы электронного архива и документооборота в проектно-конструкторских организациях 134
4.4. Выводы 136
Общие выводы и результаты 137
Список литературы 138
- Информационные технологии в проектировании и управлении
- Основные направления развития методов унификации изделий в условиях комплексной автоматизации производственных процессов
- Модель преобразования информации в технической системе
- Хранилище данных (Data Warehouse) как технология построения интегрированной модели изделия
Информационные технологии в проектировании и управлении
В 70-80-х гг. при разработке ИС достаточно широко применялась структурная методология, предоставляющая в распоряжение разработчиков строгие формализованные методы описания ИС я принимаемых технических решений. Она основана на наглядной графической технике: для описания различного рода моделей ИС используются схемы и диаграммы. Наглядность и строгость средств структурного анализа позволяла разработчикам и будущим пользователям системы с самого начала неформально участвовать в ее создании, обсуждать и закреплять понимание основных технических решений. Ручная разработка обычно порождала следующие проблемы: неадекватную спецификацию требований; Q неспособность обнаруживать ошибки в проектных решениях; Q низкое качество документации, снижающее эксплуатационные характеристики; Q затяжной цикл и неудовлетворительные результаты тестирования. Перечисленные факторы способствовали появлению программно-технологических средств специального класса - CASE-средств, реализующих CASE-технологию создания и сопровождения ИС. Термин CASE (Computer Aided Software Engineering) используется в настоящее время в весьма широком смысле. Первоначальное значение термина CASE, ограниченное вопросами автоматизации разработки только лишь программного обеспечения (ПО), в настоящее время приобрело новый смысл, охватывающий процесс разработки сложных ИС в целом. Под ним понимаются программные средства, поддерживающие процессы создания и сопровождения ИС, включая анализ и формулировку требований, проектирование прикладного ПО (приложений) и баз данных, генерацию кода, тестирование, документирование, обеспечение качества, конфигурационное управление и управление проектом, а также другие процессы. CASE-средства вместе с системным ПО и техническими средствами образуют полную среду разработки ИС. CASE-технология представляет собой методологию проектирования ИС, а также набор инструментальных средств, позволяющих в наглядной форме моделировать предметную область, анализировать эту модель на всех этапах разработки и сопровождения ИС и разрабатывать приложения в соответствии с информационными потребностями пользователей. Большинство существующих CASE-средств основано на методологиях структурного (в основном) или объектно-ориентированного анализа и проектирования, использующих спецификации в виде диаграмм или тестов для описания внешних требований, связей между моделями системы, динамики поведения системы и архитектуры программных средств. Согласно обзору передовых технологий (Survey of Advanced Technology), составленному фирмой Systems Development Inc. в 1996 г. по результатам анкетирования более 1000 американских фирм, CASE-технология в настоящее время попала в разряд наиболее стабильных информационных технологий (ее использовала половина всех опрошенных пользователей, более чем в трети своих проектов, из них 85 % завершились успешно). Ключом к успешному внедрению CASE-средств является готовность организации, которая включает следующие аспекты: технология - понимание ограниченности существующих возможностей и способность принять новую технологию; Q культура - способность воспринять новые процессы и взаимоотношения между разработчиками и пользователями; управление - четкое руководство и организованность по отношению к наиболее важным этапам и процессам внедрения. Пользователи CASE-средств должны быть готовы к необходимости долгосрочных затрат на эксплуатацию, частому появлению новых версий и возможному быстрому моральному старению средств, а также к постоянным затратам на обучение новых сотрудников и повышение квалификации действующего персонала. Несмотря на все высказанные предостережения и некоторый пессимизм, грамотный и разумный подход к использованию CASE-средств позволяет преодолеть все перечисленные трудности. Успешное внедрение CASE-средств должно обеспечить высокий уровень технологической поддержки процессов разработки и сопровождения ПО, а также положительное воздействие на некоторые или все из перечисленных факторов: производительность, качество продукции, соблюдение стандартов, документирование. Ниже перечислены основные виды и последовательность работ, рекомендуемые при построении логических моделей предметной области в рамках CASE-технологии анализа системы управления предприятием. 1. Проведение функционального и информационного обследования системы управления (административно-управленческой деятельности) предприятия: ? определение организационно-штатной структуры предприятия; ? определение функциональной структуры предприятия; ? определение перечня целевых функций структурных элементов -подразделений и должностных лиц; ? определение круга и очередности обследования структурных элементов системы управления согласно сформулированным целевым функциям; О обследование деятельности выделенных структурных элементов; Q построение FD-диаграмм системы управления с указанием структурных элементов и функций, реализация которых будет моделироваться на DFD уровне.
Основные направления развития методов унификации изделий в условиях комплексной автоматизации производственных процессов
Гибкие производственные комплексы состоят из элементов, характеризующихся большим разнообразием условий, к которым они могут приспосабливаться. Благодаря этому облегчается решение вопроса о взаимном соответствии производства и продукции. Однако, учитывая, что стоимость производственной системы возрастает пропорционально ее гибкости, а сама гибкость имеет определенные границы, всегда следует идти по пути выбора оптимального варианта приспособления производства и продукции, т. е. возникает проблема взаимной адаптации производства и продукции, которая является одной из ключевых проблем повышения эффективности производства [82]. Рассмотрим проблему адаптации производства и продукции на стадии проектирования и создания Автоматизированной Станочной системы (АСС), а также на стадии ее функционирования. Следует заметить, что подобное разделение на стадии весьма условно, так как и действующему производству свойственны непрерывное развитие, реконструкция и техническое перевооружение, иногда в настолько значительной степени, что эти преобразования трудно отличить от проектирования вновь.
На первой стадии, когда производственная система еще только создается, в проблеме адаптации производства и продукции превалирующее значение имеет продукция, на второй стадии приоритет принадлежит производственной системе. Иначе говоря, адаптация продукции и производства как таковая может быть представлена последовательной реализацией двух направленных отношений: 1) намеченная к выпуску продукция - производственная система; 2) производственная система - новая продукция. Анализ этих отношений показывает, что причинно-следственные связи между конструкцией и производственной системой, где она изготовляется, не равносильны. Если появление новой конструкции всегда вызывает необходимость проектирования технологии, то технология изготовления нового объекта производства может быть реализована на имеющихся технологических средствах производства, т. е. в общем случае отношение «конструкция - технология» значительно сильнее отношения «технология -конструкция». Однако следует отметить, что определенная конструкция может быть изготовлена по нескольким альтернативным, иногда принципиально различным, технологическим процессам, тогда как по определенной технологии изготовляется всегда только одна конструкция. Это говорит о том, что для материализации объектов производства технология имеет более принципиальное значение, чем чертеж конструкции.
Главным средством сокращения многообразия технологических решений в области технологического проектирования являются классификация и группирование деталей, разработка типовых и групповых технологических операций и процессов. Эти средства направлены на установление и регламентацию частичного порядка на основе анализа и систематизации свершившихся фактов с надеждой на то, что в дальнейшем этому порядку будет подчинена логика развития конструкций и технология их изготовления. Основными отличительными особенностями проектирования АСС являются комплексность и детализация проработки проектных решений во взаимосвязи предметов труда, технологии, тех-средств организации и управления производством, которые обусловливаются такими факторами, как переналаживаемость и автоматизация самого производственного процесса, управления и технической подготовки производства. В отличие от традиционных производственных систем уровень детализации технологических решений должен быть доведен до управляющих программ не только обработки, но и транспортировки, контроля, погрузки и разгрузки, мойки и др. Это привело к тому, что трудоемкость технической подготовки производства изделий резко возросла и стала основным сдерживающим фактором повышения уровня автоматизации производства. Традиционно противоречие между автоматизацией и серийностью, а также трудоемкость подготовки производства, снижалось путем искусственных приемов увеличения серийности выпуска изделий различного вида за счет конструкторской и технологической унификации.
Конструкторская унификация направлена на сокращение неоправданного многообразия конструкций изделий, их составных частей и параметров, но при условии, что она не должна ограничивать объективно необходимого их разнообразия. Поэтому технологическая унификация призвана быть продолжением конструкторской или являться ее составной частью (в комплексной системе САПР-АСТІИ 1-АСС) и осуществляться на основе концентрации изготовления технологически однородных объектов производства в специализированных подразделениях производственной системы.
Относительно жизненного цикла производственной системы эти два вида унификации должны находиться в тесной взаимосвязи. На этапе создания или реорганизации (в связи с изменением профиля) производственной системы подчиненную роль играет технологическая унификация, которая производится на заданном множестве конструкторских решений. На этапе функционирования, технического перевооружения или реконструкции (без изменения профиля) производственной системы конструкторская унификация при проектировании новых изделий должна быть подчинена результатам проведенной ранее технологической унификации.
Исключительно важное значение унификации промышленной продукции и элементов производственных систем как основного направления повышения эффективности автоматизации производственных процессов не вызывает сомнений. Однако, конструкторская унификация осуществляется сегодня, как правило, вне взаимосвязи с технологической унификацией и не ориентирована на установившуюся специализацию элементов производственной системы (рабочих мест, поточных линий, участков и цехов основного производства).
Работы по унификации объектов производства должны решаться как минимум на трех этапах в процессе проектирования АСС: 1) определение специализации цехов основного производства в целях сокращения количества методов обработки деталей и технических средств их реализации; 2) определение специализации участков основного производства и выбора объектов для создания АСС с целью унификации основных технических, технологических и организационных решений по созданию АСС в целом; 3) определение специализации рабочих мест с целью унификации проектных решений для каждого модуля АСС или каждого рабочего места. На первом этапе осуществляется унификация материалов, заготовок, методов формообразования, термической обработки, покрытий и т. п., а также унификация конструкций деталей в целом и повышение степени их преемственности. Эти работы выполняются путем создания и анализа таблиц систематизации деталей, построение которых базируется на методах классификации и кодирования деталей, в том числе с использованием классификаторов ЕСКД и общесоюзного технологического классификатора деталей машино- и приборостроения. На втором этапе унификация деталей осуществляется в разрезе каждой конструктивно-технологической группы (КТТ), сформированной при проектировании производственной системы, а затем - совместно деталей всех КТГ данной АСС с целью выработки единых технических решений при ее проектировании. На третьем этапе, выполняемом при проектировании АСС на стадии проектирования операционных технологических процессов изготовления деталей, производится унификация с учетом не только возможности их совместного изготовления, но и дополнительных требований к подобию, вытекающих из специфики АСС. В связи с этим на данном этапе необходимо добиваться унификации технологических баз и других элементов, влияющих на выбор приспособлений, инструментов (особенно размерных), устройств для активного контроля, элементов транспортно-накопительной системы (схватов роботов, сепараторов, ячеек тары) и других, оказывающих наибольшее влияние при создании, а затем функционировании АСС.
Модель преобразования информации в технической системе
В АТСС ГАЦ поступает технологическая информация (управляющие воздействия на обслуживающие транспортные устройства (ОТУ)) и организационно-техническая (перспективные и оперативные плановые задания на подготовку производства). Из АТСС выводится организационно-техническая информация (сведения о выполнении оперативных плановых заданий, адреса позиций АТСС с деталями определенных наименований, данные о состоянии и местоположении ОТУ). В АСИО поступает технологическая информация (маршрутные технологические карты, карты наладки станков и настройки инструментальных блоков) и организационно-техническая (перспективные и оперативные задания на подготовку производства, сведения о выходе из строя инструментов на станках). Из АСИО передается организационно-техническая информация (сведения о выполнении оперативных плановых заданий, коды инструментальных блоков, адреса позиций на автоматизированных складах инструмента, оснастки, инструментальных блоков и приспособлений; сведения о состоянии и расходе инструмента; заявки и накладные на получение, заточку и списание инструмента, оснастки и приспособлений. В САК передается технологическая информация (маршрутные технологические карты, чертежи деталей) и организационно-техническая (перспективные и оперативные плановые задания на подготовку производства, маршрутные листы). Из САК выходит организационно-техническая информация (сведения о выполнении оперативных плановых заданий; заявки и накладные на получение и списание контрольно-измерительных приборов; данные о годных и бракованных деталях; адреса позиций СКИП; данные входного контроля заготовок и полуфабрикатов и «летучего» контроля; оформленные маршрутные листы). На рабочие места поступает технологическая информация (маршрутные технологические карты, чертежи деталей, УП, карты наладки станков) и организационно-техническая (оперативные плановые подетальные задания, маршрутные листы) [66].
Имитационное моделирование (ИМ) - один из современных инструментов системного анализа. Сформулировать область применения ИМ для АСС мелкосерийного производства можно лишь после того, как будет дан ответ на два основных вопроса: какие показатели и, или параметры можно проверить с помощью ИМ на различных стадиях проектирования и функционирования АСС и каковы точность и достоверность располагаемой при этом информации. При выполнении предпроектного анализа проблема использования ИМ может обсуждаться в аспекте генерирования вероятного структурного варианта АСС. На этапе проектирования в результате функционирования процессора определены все проектные показатели АСС.
Важнейшими из них являются организационно-технический потенциал, коэффициенты загрузки и использования основного оборудования, определяющие технико-экономическую эффективность АСС и ее технический уровень. Для АСС мелкосерийного производства необходима модель организации производственного процесса. Следовательно, ИМ в данном случае является, по существу, не моделированием АСС, а моделированием производственного процесса в ней. Руководствуясь прагматическим подходом к Использованию имитационной модели, адекватной оригиналу, можно сформулировать пять основных направлений ее применения: уточнение и коррекция структур и параметров для финального определения проектных показателей, повышения технико-экономической эффективности АСС и ее проектной оценки; установление экстремальных значений показателей, появление которых возможно в силу целочисленного характера основных решений при синтезе структур АСС; уточненный прогноз эксплуатационных показателей АСС; формирование оптимальных решений при управлении функционирующей АСС (выбор порядка обслуживания станков ОТУ в соответствии с установленной дисциплиной обслуживания, расчет оптимального плана производства, обеспечивающего минимальные простои оборудования при переналадках и технологические простои и т. д.); исследование возможных эволюции системы в периоды ее реконструкции. Во всех перечисленных случаях имитационные модели являются многопараметрическими и многокритериальными. Они способны дать ответы на вопросы об основных характеристиках и поведении всех компонентов производственного процесса в АСС, а именно: о деталях (длительность производственного цикла), станках (загрузка, использование), транспортных средствах (загрузка), складах (вместимость), производственном плане (оптимальность) и, наконец, о системе в целом (наличие «узких мест», реальность выполнения установленной производственной программы, технико-экономические показатели).
После определения целей и задач ИМ выполняют анализ реального процесса; строят концептуальную модель с содержательным описанием процессов, происходящих в системе, и их формализованной схемой; реализуют ее в виде машинной программы; осуществляют верификацию модели; проводят имитационные эксперименты и обрабатывают их результаты. Основной проблемой ИМ является проблема адекватности модели оригиналу. Для ее проверки, как и для проверки любой теории, требуется сравнение контрольных результатов с экспериментом.
Можно различить два этапа имитационного моделирования производственного процесса в АСС мелкосерийного производства. На первом этапе все параметры считаются детерминированными. На втором этапе, реализация которого более сложна, считают, что некоторые параметры АСС носят вероятностный характер. Исследование проводят с учетом законов распределения параметров и с использованием метода статистических испытаний. Для получения статистически устойчивых результатов исследование на модели следует проводить в пределах длительных интервалов времени работы с учетом введенного масштаба времени.
Хранилище данных (Data Warehouse) как технология построения интегрированной модели изделия
Стандарты, разработанные ISO для CALS-технологий,. можно разбить на три группы: представление информации о продукте, представление текстовой и графической информации и общего назначения. К первой группе относятся: ISO/IEC 10303 Standard for the Exchange of Product Model Data (STEP) и ISO 13584 Industrial Automation - Parts Library.
Во вторую группу входят: ISO 8879 Information Processing Text and Office System - Standard Generalised Markup Language (SGML); ISO/IEC 10179 Document Style Semantics and Specification Language (DSSSL); ISO/IEC IS 10744 Information Technology -Hypermedia/Time Based Document Stracturing Language (HyTime); ISO/IEC 8632 Information Processing Systems - Computer Graphics - Metafile; ISO/IEC 10918 Coding of Digital Continuous Tone Still Picture Images (JPEG); ISO 11172 MPEG2 Motion Picture Experts Group (MPEG); Coding of Motion Pictures and associated Audio for Digital Storage Media и ISO/IECS 13522 Information Technology — Coding of Multimedia and Hypermedia Information (MHEG).
Третья группа: ISO 11179 Information Technology — Basic Data Element Attributes; ISO 3166 Information Processing — Country Name Representations; ISO 31 Information Processing Representation of Quantities and Units; ISO 4217 Information Processing - Currencies and Funds; ISO 639 Information Processing Coded Representation of Names of Languages и ISO 8601 Information Processing — Date/Time Representations.
Кроме международных стандартов, разработанных ISO, стандарты CALS широко представлены стандартами с индексами MIL и FIPS, которые лишний раз подчеркивают приоритетность разработки технологии CALS Соединенными Штатами и их военным ведомством изначально (самая многочисленная группа стандартов CALS имеет индекс MIL - стандартный индекс для документов, разработанных в МО США). Аббревиатура FIPS означает федеральный стандарт обработки информации (Federal Information Processing Standard).
Госстандарт РФ готовит набор ГОСТов, отражающих, в частности, требования CALS-ориентированных стандартов серии ISO 10303 (Системы автоматизации производства и их интеграция; представление данных об изделии и обмен этими данными). Однако внедрение CALS-подхода в России имеет специфические сложности: часто для использования CALS-решений требуется предварительное проведение реинжиниринга бизнес-процессов; невысок уровень компьютеризации предприятий; отсутствует нормативная база; не хватает специалистов; нет рынка CALS-продуктов и услуг; нет денег на внедрение CALS технологий.
Понятно, что первоочередной задачей для развития CALS-технологий в России является создание соответствующей нормативной базы. Поэтому Госстандартом России и Минэкономики России было принято решение о совместном финансировании разработки ряда первоочередных стандартов, которые открывают путь к внедрению CALS-технологий в отечественной промышленности. В настоящее время уже утверждены первые стандарты в области CALS. Создан и уже действует Технический комитет № 431 при Госстандарте России, организованный на базе научно-исследовательского центра CALS, основная задача которого - разработка стандартов в области CALS.
К настоящему времени приняты следующие стандарты серии «Системы автоматизации производства и их интеграция»: ? ГОСТ Р ИСО 10303-1-99. Методы описания. Общий обзор и основополагающие принципы; ? ГОСТ Р ИСО 10303 - 21-99. Представление и обмен данными об изделии. Методы реализации. Текстовый обменный файл; D ГОСТ Р ИСО 10303 - 41-99. Представление и обмен данными об изделии. Интегрированные родовые ресурсы. Принципы описания продукта. Перспективность внедрения технологии CALS не вызывает сомнений. Другое дело, что на пути ее внедрения приходится преодолевать различные трудности. И если в странах "развитого капитализма" данные проблемы часто ограничиваются неверным восприятием обывателями самой технологии (живучим оказался стереотип о принадлежности CALS военному ведомству), то препятствия к продвижению этой перспективной технологии на российских просторах значительно более серьезны. Тем более обидно, что теоретические положения по описанию жизненного цикла изделий в отечественной науке разработаны достаточно давно. Процесс внедрения технологий в России не стоит на месте. Так, 24 октября 2000 года Министерство промышленности, науки и технологий России и научно-исследовательский центр CALS-технологий "Прикладная логистика", при содействии и участии Госстандарта России и государственной компании "Росвооружение", провело II научно-техническую конференцию "CALS-технологий - ключ к обеспечению успеха предприятий на -внутреннем и внешнем рынках". На конференции присутствовало более 300 участников, представлявших 125 предприятий и организаций из 35 регионов России. Основная задача, решаемая путем применения CALS-технологий, -экономия времени и средств при одновременном повышении качества. Так, в США применение CALS-технологий сопровождается следующими типовыми показателями. 1. В процессах проектирования и инженерных расчетах: сокращение времени проектирования на 50%; снижение затрат на изучение выполнимости проектов на 15-40%. 2. В процессах организации поставок: уменьшение количества ошибок при передаче данных на 98%; сокращение времени поиска и извлечения данных на 40%; сокращение времени планирования на 70%; сокращение стоимости информации на 15-60%. 3. В производственных процессах: сокращение производственных затрат на 15-60%; повышение показателей качества на 80%. 4. В процессах эксплуатационной поддержки изделий: сокращение времени на изменения технической документации на 30%; сокращение времени планирования поддержки на 70%; снижение стоимости технической документации на 10-50%.
