Проектирование компьютерно-интегрированных производств в составе систем управления жизненным циклом высокотехнологичной продукции в машиностроении.

Лагута В.С.1, Ясиновский С.И.2
1 Общество с ограниченной ответственностью «Институт производственных исследований»
2 Исследовательский центр Мультитель

Статья в журнале

Вопросы инновационной экономики
Том 10, Номер 3 (Июль-сентябрь 2020)

Цитировать:
Лагута В.С., Ясиновский С.И. Проектирование компьютерно-интегрированных производств в составе систем управления жизненным циклом высокотехнологичной продукции в машиностроении. // Вопросы инновационной экономики. – 2020. – Том 10. – № 3. – С. 1245-1258. – doi: 10.18334/vinec.10.3.110623.

Эта статья проиндексирована РИНЦ, см. https://elibrary.ru/item.asp?id=44082111

Аннотация:
В статье обоснована необходимость изменения подхода к созданию многономенклатурных компьютерно интегрированных производств (КИП). На основании описания характеристик динамического заказа осуществляется выбор стандарта системы управления жизненным циклом (СУЖЦ) продукции и параллельно формируются требования для заказа основного технологического оборудования. Для оценки принимаемых проектных решений предлагается использовать концепцию цифрового двойника создаваемого КИП с последовательной детализацией на основе имитационного моделирования.

Ключевые слова: компьютерно-интегрированное производство, проектирование производственной системы, динамический заказ, исполнительная производственная система (MES), цифровой двойник, кластер

JEL-классификация: M11, O31, O32, O33



Введение

Важное значение при проектировании (реконструкции) современных многономенклатурных производственных систем приобретают требования цифровизации процессов и внедрения принципов их построения для использования в системах управления жизненным циклом (СУЖЦ) выпускаемых изделий. Этому вопросу посвящено значительное количество публикаций, уже сформулированы стандарты, ГОСТы и другие руководящие документы. Но только сейчас в России на рынке складывается ситуация, способствующая внедрению теоретических разработок и прототипов в практику создания и эксплуатации современных действующих производств. С дальнейшим развитием IT-технологий этот процесс будет идти по нарастающей. С учетом повышения значимости информационной составляющей в процессе производства необходимо пересматривать сложившиеся традиционные подходы для использования в задачах проектирования компьютерно-интегрированных производств (КИП), ориентированных на изменяющийся характер производственных заказов.

Анализ развития технических средств машиностроительного дивизиона показывает все большее распространение компьютеризированных технологий в создании (проектирование, производство, сбыт, сопровождение) продукции. Это определяется в первую очередь доступностью соответствующих технических и программных средств на открытом рынке. И этот процесс будет идти по нарастающей. Наглядный пример – развитие аддитивных технологий на российском рынке. Пять лет назад были представлены единицы промышленных образцов и технологий (в основном на базе ABS-пластика), а сейчас эта техника продается в разряде бытовых устройств! Выбор производственного оборудования просто колоссальный с учетом вторичного рынка [1]. Позаказные системы производства (в том числе инструмента и оснастки), модульный принцип создания технологического оборудования и повсеместное внедрение облачных технологий позволяют получить практически любой вариант реализации технической системы многономенклатурного машиностроительного производства.

На первый план выходят требования, свойственные инклюзивной модели экономики [2] (Mamedov, 2012). Возможность учета непрерывно изменяющихся индивидуальных требований потребителя и сопровождение изделий до вывода из эксплуатации становятся определяющими требованиями в конкурентной среде. А это означает, что и вновь создаваемые производства должны соответствовать этим требованиям. Кроме того, необходимо учитывать что продукция военного назначения (ПВН), как правило, имеет достаточно длительный срок эксплуатации или длительный период поддержания в «горячем» резерве. Это означает длительный период (возможно, десятки лет!) для обеспечения запчастями и комплектующими, а также проведения регламентных работ. За такой период времени достаточно вероятно существенное изменение оборудования и технологий производства такой продукции. То же самое относится к построению КИП. Мы аккуратно и методически качественно выбираем основное технологическое оборудование (ОТО), аппаратные и программные средства интеграции, а к моменту (даже!) получения первых изделий может прийти новое поколение станков и технологий! В качестве примера – только освоили аддитивные технологии по пластику, начали внедрение печати по металлу, а на рынок уже выходит серийное оборудование, совмещающее 3D-печать и механообработку! Или внедрение коллаборативной робототехники в производственные процессы [3].

Задачи маркетинга и управленческого менеджмента становятся основными при проектировании производств, ориентированных на широкое использование компьютерных технологий. И речь прежде всего об организационной стороне производственного процесса, поскольку именно успешное решение вопросов управления информационными потоками жизненного цикла продукции позволяет обеспечить надежность функционирования производственной системы в процессе эксплуатации. Этот момент требует пояснения.

При классическом подходе используется следующая парадигма создания (рис. 1) и эксплуатации (рис. 2) производственной системы [4, 5, 6 и многие другие] (Yampolskiy E.S. et al., 1974; Tomiyama, Gu, Jin, Lutters, Kind, Kimura, 2009; Ovsyannikov, Shiryaeva, 2020).

ПРОЕКТ: детали (детали-представители, условные детали) – маршрутная (операционная) технология – расцеховка – выбор оборудования – расчет количества станков по приведенной программе выпуска (условной приведенной программе) – компоновка (привязка к энергетическим и логистическим сетям).

Скругленный прямоугольник: ПРОЕКТ

Рисунок 1. Классический подход к созданию проекта производственной системы

СТАДИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ: текущие и ближайшие профильные заказы – план-график выпуска и обеспечения производственного процесса – комплектация сменно-суточных заданий (ССЗ) – доведение до рабочих мест – выполнение ССЗ.

Подпись: Рисунок 2. Классический подход к эксплуатации производственной системы

Примерно так же проектируются соответствующие подсистемы инструментального и технологического обеспечения. Основные критерии ­– производительность и минимизация затрат.

Такое производство великолепно работает в случае соответствия заказа выбранному оборудованию и заложенному производственному резервированию (по персоналу и оборудованию).

Реальная ситуация многономенклатурного производства – сезонное изменение потребления, нестабильность запланированных заказов, появление конкурента, непредвиденные обстоятельства (неперекрываемый выход из строя оборудования, персонала, сбои в поставках сырья, инструмента), срочные заказы на полуфабрикаты и комплектующие и т.д.

В этом случае от производственной системы требуются другие свойства:

Первое ­– возможность сохранения работоспособности.

Второе – управляемость производственными возможностями по номенклатуре и производительности – увеличение/сокращение без потерь экономического потенциала.

Третье – скорость реакции на изменения.

А это, в свою очередь, требует принципиально другого подхода к созданию таких производств. Выделим его основные черты:

1. Компьютерная интеграция процессов – в информационном плане прежде всего позволяет осуществить контроль и управление процессами в режиме «реального времени» [7] (Iassinovski, Abdelhakim, Christophe, 2008) и придает им управляемость, гибкость и скорость реакции на изменения, которых невозможно добиться традиционными методами.

2. Построение организационной системы по принципам виртуального производства как на прием, так и выдачу заказов [8] (Laguta, 2017).

3. Изначальная ориентация на «динамический» характер производственного заказа.

4. Открытая система, ориентированная на развитие – возможность запланированного последовательного наращивания производственно-технологических возможностей – по управлению, автоматизации, роботизации и т.п. [9] (Laguta, Malyhin, Filippov, 2015).

Соответствующая парадигма создания такого производства будет другой (рис. 3):

ПРОЕКТ: набор базовых и перспективных конструкторско-технологических требований, определенных на множестве планируемых к производству деталей и изделий – описание свойств динамического заказа – выбор стандарта системы управления жизненным циклом (СУЖЦ) продукции – определение степени автоматизации рабочих мест – определение требований для заказа оборудования – далее по классике.

Подпись: Рисунок 3. Предлагаемый подход к созданию проекта производственной системы

Важный момент – при формировании заказа на оборудование учитываются все полученные на предыдущих этапах требования и ограничения, в том числе с перспективой наращивания технических и технологических возможностей.

СТАДИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ: функционирование КИП в СУЖЦ продукции, расширение производственных возможностей по мере продвижения на профильных рынках.

На стадии эксплуатации функционирование и расширение производственных возможностей КИП осуществляется уже в рамках СУЖЦ продукции. Имеется в виду не только приобретение дополнительного оборудования, но и широкое использование аутсорсинга [10] (Laguta, 2013).

Существенное значение в предлагаемом подходе занимает понятие «динамический заказ». Как уже было показано, ориентир на фиксированный состав будущих объектов КИП – конкретные детали, узлы, детали-представители – в отрыве от соответствующих реальных план-графиков запуска/выпуска не позволяет сформировать эффективный состав технической системы КИП для рассматриваемой постановки задачи. С другой стороны, создание абстрактной производственной системы даже при условии наличия некоторых ориентирующих ограничений и стандартов, ранее сформулированных для разработки СУЖЦ, не имеет смысла в практическом плане. Это противоречие и призвано разрешить использование «динамического заказа» для формирования технической системы КИП. Подчеркнем в том числе не только выбор оборудования, но и выделение групп операций, выносимых на сторонних исполнителей.

Для этого необходимо представить планируемые производственные заказы набором требуемых технических и технологических возможностей, предъявляемых к оборудованию будущего КИП. Тогда можно говорить не о конкретном оборудовании (это локальный вариант), а о некоей совокупности производственных возможностей в целом. Например, не характеристики конкретного зуборезного станка, а «возможность изготовления зуба произвольного профиля от модуля 0,5 до 5». Или «возможность получения шероховатости от 0,25 Ra для тел вращения от 10 мм до 350 мм» и т.п. В настоящее время активно развивается направление разработки и совершенствования информационного обеспечения производственных процессов. Речь идет об использовании в производственной сфере методов искусственного интеллекта, нечетких множеств, мягких вычислений и т.п. – этой проблематикой в МГТУ им. Н.Э. Баумана активно занимался профессор Емельянов В.В. (1949–2004 гг.). Такие подходы и позволяют «строить» варианты технологических процессов, базирующихся на возможностях не конкретного оборудования, а определенной производственной системы (или систем, если иметь в виду в том числе виртуальные производства).

На этапе проектирования будущие план-графики запуска/выпуска КИП могут быть представлены (интерпретированы) интенсивностями (частотой переходов) используемых наборов технических и технологических возможностей. Соответствующая информация может быть опять же получена на начальных этапах проектирования производственной системы в целом.

Для рассмотренной постановки перспективным оказывается использование метода онтологий [11] (Evgenev, 2009), поскольку многие наработки в этом направлении доведены до программной реализации. Особенно успешно этот метод используется в задачах конструкторско-технологической подготовки производства, что, собственно, и позволяет уверенно говорить о возможности интерпретации располагаемой информации в СУЖЦ в качестве «динамического заказа» для проектирования КИП в ее составе.

При проектировании (модернизации, реконструкции) общей производственной системы в целом целесообразно выделение критических, универсальных и общих технологий [8] (Laguta, 2017). Это позволит корректно осуществить распределение функций в СУЖЦ (аутсорсинг, резервирование и «страхование» производственных возможностей). Здесь же необходимо включение «рыночной» составляющей производственной системы, если таковая определена на этапе маркетинговых исследований. Таким образом, оказывается возможным сформировать «динамический заказ» для проектирования КИП в составе выпускающего дивизиона.

Достаточно очевидно, что должна быть некоторая (возможно, формализованная) канва, на которую собираются («нанизываются») технические решения. Для получения которых, в свою очередь, используются методы, методики, программные средства, формализованный опыт (например, в экспертных системах) и т.п. И все это базируется на информационном пространстве (цифровых платформах), доступных пользователю в целом (например, Интернет) или в его специализированных разделах (облачные технологии «закрытых» процессов). И вот в качестве такой канвы, по мнению авторов, и выступает СУЖЦ изделия (изделий), которые только предполагается выпускать или осваивать.

Из концептуальных направлений, которые можно (и нужно!) использовать в предложенном подходе, выделим:

- параллельный инжиниринг (concurrent engineering) – предполагает выполнение процессов разработки и проектирования одновременно с моделированием изготовления и эксплуатации. При этом многие проблемы, которые могут возникнуть на более поздних стадиях ЖЦ, выявляются и решаются на стадии проектирования [12] (Ma, Chen, Thimm, 2008);

- процессный подход в проектировании – он ориентирован в первую очередь не на организационную структуру предприятия, не на функции подразделений, а на бизнес-процессы, конечными целями выполнения которых является создание продуктов или услуг, представляющих ценность для внешних или внутренних потребителей. При этом система управления компанией ориентируется как на управление каждым бизнес-процессом в отдельности, так и всеми бизнес-процессами предприятия в целом [13] (Meyer, Creux, Weber, 2006);

- концепция реконфигурируемых производственных систем (Reconfigurable manufacturing system), обладающих возможностью изменения (адаптации) пространственно-временной организации (архитектуры) производственной системы к изменениям рыночного спроса на продукцию [14] (Bi, Lang, Shen, Wang, 2008).

Поскольку излагаемый подход к проектированию КИП может быть использован не только при создании нового производства, но в задачах реконструкции, модернизации, перепрофилирования действующего, необходимо упомянуть также:

- реинжиниринг бизнес-процессов (Business process reengineering), суть которого в определении оптимального вида бизнес-процесса и определении наилучшего (по средствам, времени, ресурсам и т.п.) способа перевода существующего бизнес-процесса в оптимальный;

- непрерывный инжиниринг – стратегия повторного использования ранее разработанных изделий, стирание границ по доступу к проектной документации в смежных областях проектирования и постоянная верификация как требований, так и проектных решений [15] (Romanov, 2017);

- риск-менеджмент [ГОСТ Р 56275-2014 Менеджмент рисков. Руководство по надлежащей практике менеджмента рисков проектов].

В проектировании производства, особенно механообработки, наименее формализуемым этапом является концептуальное проектирование архитектуры, в частности организации производственного процесса и «внутренней» логистики. Реально единственным средством (кроме аналогии и здравого смысла) здесь является имитационное моделирование [16] (Emelyanov, Laguta, Ovsyannikov, Yasinovskiy, 1990) или, как теперь модно говорить в рамках концепции «Индустрия 4.0», использование «цифровых двойников» (за исключением специфических производств, для которых соответствующие методы существуют, таких как производство полупроводников, сборка автомобилей и т.п.). Программных средств для имитационного моделирования производств и на российском и на европейском рынках в настоящее время представлено достаточное количество, проблемой однако остается то, что эти имитаторы не предлагают какой-либо методологии, алгоритма проектирования. Все определяется квалификацией пользователя.

Другой особенностью проектирования современных производственных систем является осознание того факта, что программное обеспечение является неотъемлемой частью производства и в значительной степени определяет его гибкость и реактивность, эффективность использования оборудования и персонала. Здесь основную роль, помимо уже прочно вошедших в практику программ SCADA и ERP, играют исполнительные производственные системы – MES [17]. В российской, так же как и в зарубежной практике достаточно много публикуется практических материалов по этому вопросу. Но основная их цель, к сожалению, – показать уровень осуществляемых разработок и расширение клиентской базы. Методические вопросы получения проектных решений КИП на их основе остаются ноу-хау, а публикации представляют в основном конечный коммерческий продукт для возможного пользователя.

Таким образом, предлагаемая концепция ориентирована на значительную неопределенность исходных данных, а это означает, что существенное место должна занять оценка качества принимаемых решений. Поэтому необходимо широкое использование моделирования производственной системы на различных этапах проектирования и эксплуатации. Начиная от вариантов построения СУЖЦ до цифрового двойника производства в целом – имитационной модели производственных потоков, включая внешнюю и внутреннюю логистику. Попутно отметим важную особенность излагаемого подхода – в идеальном случае это должна быть модель виртуального предприятия, реализующая функции управления реальных (эксплуатируемых) программно-аппаратных систем либо включающая сами эти системы. То есть оценку проектных решений КИП необходимо осуществлять на уже принятой ранее модели, реализующей функции управления (правила, алгоритмы, информационные стандарты и т.п.) в СУЖЦ изделия. Таким образом, одновременно с проектированием архитектуры КИП происходит выбор, конфигурирование и настройка MES. В свою очередь, модель производства (цифровой двойник) используется MES для анализа последствий принимаемых решений (оптимизации) при оперативном управлении производством.

Заключение

Опыт внедрения элементов СУЖЦ представлен и описан достаточно широко. Еще больше представлено приложений (в основном рекламного характера) разработчиками соответствующего ПО. Есть и примеры завершенных работ как на опытном производстве, например для производственного модуля [18] (Ovsyannikov, Podkopaev, Bukhanov, 2016), так и на крупных объединениях, например концерна «Калашников» [19] (Bukharov, 2018). Анализ показывает, что реальная ситуация «созрела» для перехода к цифровому производству как стандарту современной производственной системы. Для этого есть технические, информационные и организационные предпосылки.

Изложенный подход может быть особенно действенным в решении проблем реформирования предприятий оборонно-промышленного комплекса (ОПК) – для задачи существенного увеличения доли выпускаемой гражданской продукции. Это дает возможность дезинтеграции производственных компонент технической системы без потерь общего производственного потенциала в рамках существующей системы СУЖЦ ПВН. И наоборот, включение в производственный цикл поставщиков комплектующих и полуфабрикатов в рамках единой СУЖЦ ПВН. Это соответствует современной тенденции развития машиностроения (техническая компонента) – цифровизации производств и децентрализация производственных систем. В то же время очевидно сохраняется ориентация на использование установившихся производственных связей и расширение возможной кооперации, но не в рамках принудительного объединения в виде очередной госкорпорации, а по принципам производства продукции в кластере, где рыночная целесообразность является определяющей. Это позволит найти компромисс между самостоятельностью отдельных производств и объединением при решении практических вопросов выпуска конечной продукции в кластере в целом на основе унифицированных принципов и систем управления жизненным циклом ПВН.


Источники:

1. База данных поставщиков оборудования, машин и технологий из России [Электронный каталог] // URL https://www.oborudunion.ru/catalog (дата обращения: 07.07.2020).
2. Мамедов О.Ю. Инвазивная экономика (Россия: от постсоветской экономики — к «квазипостсоветской»?) // TERRA ECONOMICUS. - 2012. - №3 (том 10). - С. 4-8.
3. Итоги выставки «Металлообработка-2019» [Электронный ресурс] // Пресс-служба АО «Экспоцентр», 2019 (последняя редакция 01.06.2019). URL https://www.expocentr.ru/ru/press-center/press-releases/itogi-vystavki-metalloobrabotka-2019/ (дата обращения: 15.04.2020).
4. Проектирование машиностроительных заводов и цехов: справочник: в 6 т. / под общ. ред. Е.С. Ямпольского - Т. 1: Организация и методика проектирования / Б.И. Айзенберг, М.Е. Зельдис, Ю.Л. Казарновский и др., под ред. Б.И. Айзенберга. - М. : Машиностроение. - 1974. - 296 с.
5. Tomiyama T., P. Gu, Y. Jin, D. Lutters, Ch. Kind, et F. KimuraDesign methodologies: Industrial and educational applications. CIRP Annals - Manufacturing Technology . 58 (2), 2009.- рр. 543‑565.
6. Овсянников В.Е., Ширяева А.Н. Совершенствование проектирования производственных единиц в условиях многономенклатурного производства // Актуальные вопросы технических наук: материалы VI Междунар. науч. конф. (г.Краснодар, апрель 2020г.). Краснодар: Новация. – 2020. – С. 6-12.
7. Serguei Iassinovski, Abdelhakim Artiba, Christophe Fagnart. SDBuilder®: A production rules-based tool for on-line simulation, decision making and discrete process control. – 2008 - International Journal on Engineering Applications of Artificial Intelligence, 21 (3). - pp. 406 - 418.
8. Лагута В.С. Производственно-технологический потенциал предприятия. Виртуальное производство // Компетентность. - 2017. - № 5. - С.18-21.
9. Лагута В.С., Малыхин А. Ю., Филиппов А. А. Концепция открытого проекта цеха по изготовлению газобетонных блоков // Компетентность. - 2015. №8.- С.22-25, продолжение № 9/10. - С. 60-63.
10. Лагута В.С. Размещение сторонних заказов в структуре военно-промышленного комплекса (рыночный подход) // Машиностроитель. - 2013. Вып.9. - С. 12-18.
11. Евгенев Г.Б. Интеллектуальные системы проектирования - М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана. - 2009. - 256 с.
12. Ma Y., Chen G. & Thimm G. Paradigm shift: unified and associative feature-based concurrent and collaborative engineering. Journal of Intelligent Manufacturing 19. - pp.625–641 (2008).
13. Process Oriented Analysis: Design and Optimization of Industrial Production Systems. Urs B. Meyer et al. Taylor & Francis Inc. September 2006.- 521p.
14. Reconfigurable manufacturing systems: the state of the art. Z. M. Bi , S. Y. T. Lang , W. Shen & L. Wang. International Journal of Production Research, Volume 46, 2008 - Issue 4. - pp 967 - 992.
15. Романов А.А. Смена парадигмы разработки инновационной продукции: от разрозненных НИОКР к цифровым проектам полного жизненного цикла // Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы. - 2017. - том4, вып. 2. - С. 68-84.
16. Емельянов В.В., Лагута В.С., Овсянников М.В., Ясиновский С.И. Интеллектуальная система моделирования дискретных производственных систем и процессов. - В сб.: Технология. Серия Гибкие производственные системы и робототехника. - 1990. - Вып.1. - С.11 -22.
17. MESA (Manufacturing Enterprise Solutions Association) International. Manufacturing information. [Электронный ресурс] // URL http://www.mesa.org/en/index.asp (дата обращения: 07.07.2020).
18. Овсянников М.В., Подкопаев С.А., Буханов С.А. Облачная система поддержки жизненного цикла опытного единичного производства. // Электронный научно-технический журнал: Инженерный вестник. – 2016 - №11. URL: http://ainjournal.ru/doc/850661.html (дата обращения: 15.06.2020).
19. Бухаров В. Опыт внедрения системы управления производством // РИТМ машиностроения. - 2018.- №8. - С.27-29.

Страница обновлена: 21.11.2020 в 13:50:07