Design of computer-integrated production facilities as part of life cycle management systems for high-tech products in mechanical engineering

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).

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.

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.

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.