Системы автоматизированного проектирования и сопровождения жизненного цикла изделий

Ключевыми факторами успеха в современном промышленном производстве являются: уменьшение срока выхода новой продукции на рынок, снижение ее себестоимости и повышение качества. В свою очередь для успешного ведения производства предприятию необходима модернизация конструкторско-технологических и производственных процессов на основе новых информационных технологий.

Системы сопровождения жизненного цикла изделий — это комплекс И С, обеспечивающих конструкторско-технологическую подготовку производства и сопровождение изделий на всех стадиях жизненного цикла на базе современных ИТ-решений. Совокупность систем этого класса получила название ИПИ-системы (ИПИ — информационная поддержка изделий). ИПИ-системы обеспечивают:

• • моделирование и проектирование изделия;
• • сопровождение данных об изделии;
• • коммуникации между системами;
• • реорганизацию бизнес-процессов.

Наиболее критичным и сложным из перечисленных процессов является сопровождение данных об изделии.

Рассмотрим автоматизированные технологии проектирования и сопровождения жизненного цикла сложных изделий машиностроения.

CAD-системы предназначены для решения конструкторских задач и оформления конструкторской документации (в российской терминологии они называются системами автоматизированного проектирования — САПР). Как правило, в современные CAD-системы входят модули моделирования трехмерной объемной конструкции (детали), оформления чертежей и текстовой конструкторской документации (спецификаций, ведомостей покупных изделий и т. д.). Современные трехмерные CAD-системы позволяют реализовать идею сквозного цикла подготовки и производства сложных изделий.

CAE-системы представляют собой обширный класс систем, каждая из которых позволяет решать определенную расчетную задачу (группу задач), начиная от расчетов на прочность, анализа и моделирования тепловых процессов до расчетов гидравлических, электронных схем и др.

CAM-системы предназначены для проектирования обработки изделий на станках с ЧПУ и выдачи программ для этих станков (токарных, фрезерных, сверлильных, шлифовальных, эрозионных и обрабатывающих центров). Они являются единственным средством качественного изготовления деталей сложного профиля и сокращения цикла их производства. В CAM-системах используется трехмерная модель детали, созданная в CAD-системе.

Типичными представителями систем группы CAD можно назвать Pro/ Engineer, Euclid, Anvil, Cosmos/M. За 40-летний период существования.

CAD-, САМ-, CAE-систем сложилась их общепринятая международная классификация:

• • чертежно-ориентированные системы;
• • системы, позволяющие создавать трехмерную электронную модель объекта, которая дает возможность автоматизировать процесс его изготовления;
• • системы, поддерживающие концепцию полного электронного описания объекта (EPD — electronic product definition).

Electronic product definition — это технология, которая обеспечивает разработку и поддержку электронной информационной модели на протяжении всего жизненного цикла изделия, включая маркетинг, концептуальное и рабочее проектирование, технологическую подготовку, производство, эксплуатацию, ремонт и утилизацию. При применении EPD-концепции предполагается замещение «компонентно-центрического» последовательного проектирования сложного изделия на «изделие-центрический» процесс, выполняемый проектно-производственными командами, работающими коллективно. В результате разработки EPD-копцепции автономные CAD-, САМ-, CAE-системы превращаются в интегрированные CAD/ САМ/САЕ-системы. Они занимают особое положение среди других прикладных систем, так как представляют индустриальные технологии, непосредственно направленные в наиболее важные области материального производства.

В настоящее время невозможно изготовление сложной наукоемкой продукции (кораблей, самолетов, ракет, турбин, различных видов промышленного оборудования и др.) без применения CAD/CAM/CAEсистем. За последние годы эти системы прошли путь от сравнительно простых чертежных приложений до интегрированных программных комплексов, обеспечивающих единую поддержку всего цикла разработки, начиная от эскизного проектирования и заканчивая технологической подготовкой производства, испытаниями и сопровождением производственного процесса. CAD/CAM/CAE-системы не только дают возможность сократить срок внедрения новых изделий, но и оказывают существенное влияние на технологию производства, позволяя повысить качество и надежность выпускаемой продукции, повышая тем самым ее конкурентоспособность. В частности, путем компьютерного моделирования сложных изделий проектировщик может своевременно выявить нестыковку и получить экономию на стоимости изготовления физического прототипа.

Возрастание сложности в области САПР и требование повышения эффективности работы проектировщиков (конструкторов, технологов) над сложными изделиями вызвало необходимость создания специализированного ПО, которое обеспечивало бы хранение и отслеживание всех файлов, созданных в САПР, проверяло их на предмет целостности, актуальности и непротиворечивости. Для решения таких задач были созданы PDM-системы. PDM представляет собой общий термин, охватывающий все системы, которые применяются для управления информацией о продукте и процессах, используемых для его создания и сопровождения.

Инженерно-техническая информация принадлежит к числу наиболее ценных активов предприятия. Эта информация хранится в актуальном, структурированном виде в составе PDM-системы, которая, являясь общим структурированным хранилищем информации, позволяет систематизировать, упорядочить, проработать и уточнить взаимосвязанную информацию об изделиях, служит средой коллективной работы специалистов различных служб, объединенных общим бизнес-процессом. В PDM-системах воплощены следующие технологии:

• • управление инженерными данными (EDM — engineering data management);
• • управление документами;
• • управление информацией об изделии (PIM — product information management);
• • управление техническими данными (TDM — technical data management);
• • управление технической информацией (TIM — technical information management);
• • управление извещениями на изменения и манипулирование информацией, относящейся к конкретному изделию.

В качестве примера можно привести систему «1С:Предприятие 8. PDM Управление инженерными данными»^[1], которая обеспечивает:

• • управление составом проектируемых изделий;
• • совместную работу пользователей с проектной информацией;
• • защиту данных и специализацию пользователей и групп, определяемую правами доступа к информации;
• • многовариантное проектирование;
• • поиск необходимых документов;
• • возможность просматривать документы, чертежи и трехмерные модели различных графических форматов;
• • контроль уникальности обозначений изделий (документов);
• • возможность проверки комплектности выпущенной документации;
• • формирование спецификации и различных ведомостей;
• • возможность задания комбинаций материальных и трудовых нормативов в зависимости от технологических маршрутов на изделие;
• • учет основных и вспомогательных материалов и оснастки.

Внедрение систем управления инженерными данными позволяет сократить время разработки, модернизации изделий и, как следствие, приводит к сокращению времени выхода товаров на рынок. В свою очередь, сокращение времени достигается за счет:

• • возможности с высокой точностью определить объем работ и требуемых ресурсов;
• • использования параллельных и динамических механизмов реализации бизнес-процессов;
• • обеспечения возможности организации параллельной работы инженеров над проектом;
• • использования единого хранилища всех видов информации;
• • интеграции с системами различных типов — ERP, CAD, MES и т. д.;
• • уменьшения времени на поиск информации;
• • заимствования компонентов у созданных изделий.

Также система управления инженерными данными позволяет перейти на новый уровень повышения качества проектных работ и подготовки технической документации, упрощает процесс сертификации качества изделий.

Системы PDM отличаются от БД тем, что интегрируют информацию, поступающую из различных источников любых форматов и типов, предоставляя ее пользователям уже в структурированном виде (при этом структуризация производится применительно к особенностям промышленного производства). Также они отличаются от интегрированных систем офисного документооборота, так как работают не только с текстовыми документами, но и с геометрическими моделями и данными, необходимыми для функционирования автоматических линий, станков с ЧПУ и др.

Системы PDM выполняют функции основного интерфейса, с помощью которого пользователи могут обращаться к любым данным, относящимся к разным стадиям разработки объектов, например к чертежам, построенным методом компьютерного моделирования, диаграммам и спискам, а также к приложениям (программам), используемым для создания документов. Наряду с управлением данными, PDM-системы могут применяться в управлении проектами, а именно процессами разработки изделия, контролируя информацию об изделии, о состоянии объектов данных, об утверждении вносимых изменений, осуществляя авторизацию и другие операции, которые влияют на информацию об изделии и режимы доступа к ней каждого конкретного пользователя. Таким образом, с помощью PDM-систем осуществляется полный централизованный и постоянный автоматизированный контроль всей совокупности данных, описывающих как само изделие, так и процессы его конструирования, производства, эксплуатации и утилизации.

С помощью PDM-систем можно создавать отчеты о конфигурации выпускаемых изделий (систем), маршрутах их прохождения, включая все составные части, а также составлять ведомости используемых материалов. Все эти документы при необходимости могут отображаться на экране монитора производственного, конструкторского или технологического отдела из одной и той же БД. На рис. 5.1 показано окно работы с составом изделия в интегрированной корпоративной среде 1С: РОМ-системы.

Одной из целей PDM-систем является обеспечение возможности групповой работы над проектом, т. е. просмотра в реальном времени и совместного использования фрагментов общих информационных ресурсов предприятия. При этом одни данные могут обновляться регулярно, а другие — оставаться относительно статичными. Такой распределенный доступ к ведомостям материалов и конфигурации выпускаемой продукции резко сокращает время на обработку заказа, экономя гем самым материальные и трудовые ресурсы.

Рис. 5.1. Окно структуры изделия (пример).

Системы PDM интегрируются в корпоративную информационную среду предприятия. Главной целью этой интеграции является устранение избыточности данных и уменьшение временного цикла их передачи от проектировщиков в производство. На рис. 5.2 показано место PDM-системы в такой интегрированной корпоративной среде.

Рис. 5.2. Функциональная интеграция PDM-систем.

Системы PDM играют роль связующего звена между этапом инженерноконструкторской разработки нового изделия и производственно-сбытовой деятельностью предприятия (MES/MRP/ERP-системы). Находясь между условными входами и выходами инженерных данных, PDM-системы аккумулируют все циркулирующие внутри предприятия данные о продукции, осуществляют планирование процессов и пошаговый контроль. PDMсистема служит удобным рабочим местом руководителя проекта. О важности такого рода систем свидетельствует известный факт, что 25% рабочего времени персонала компании, начиная от проектировщика и заканчивая руководителем проекта, тратится на собственно творческую работу, остальное время — это поиск необходимой информации и стыковка потоков данных, поступающих от разных подразделений предприятия. Часто оказывается, что проще и быстрее заново спроектировать деталь, чем найти имеющуюся информацию о ней или ей подобной.

В качестве примера интеграции систем разного назначения можно привести холдинг ОАО «Ленполиграфмаш» и крупную кораблестроительную компанию Newport News Shipbuilding (США), использующую в комплексе PDM-систему, несколько систем САПР, ERP-систему SAP R/3, систему управления поставками от компании i2Technologies, а также другие ERPсистемы.

В направлении интеграции ведут разработки ведущие фирмы мира. Более того, большинство основных разработчиков ERP-систем включили в свои продукты поддержку функций PDM-систем. Все крупные поставщики MRP/ERP-систем интегрировали свои системы с наиболее распространенными PDM-системами. Например, компании Oracle и Metaphase/ SDRC интегрировали ERP-систему Oracle Applications с PDM-системой Metaphase 2, а компания Siemens Nixdorf разработала интерфейс между Metaphase 2 и SAP R/3. Другие фирмы также разрабатывают интерфейсы между MES-, ERPи PDM-системами. В частности, программный продукт «1С:Предприятие 8. PDM Управление инженерными данными» — совместное решение фирмы «1C» и компании «АППИУС», предназначенное для автоматизации конструкторско-технологической подготовки производства.

Крупнейшими производителями CAD/CAM/CAE/PDM-систем являются компании Autodesk (Auto CAD, Streamline, веб-ориентированное ПО Volo Viel2 и др.), Dassault Systems/IBM (CATIA1, CATIA V5.6 и др.), CNC Software (Mastrecam), INTERMECII, Solid Works Corporation, Аскон, Patio.Pro, АО «Топсистемы» и др.

К числу технологий, позволяющих значительно снизить временные затраты в процессе проектирования и сопровождения изделия, относятся CALS-технологии (Continuous Acquisition and Life cycle Support — непрерывная информационная поддержка поставок и жизненного цикла), ключевым компонентом которых служат системы управления проектными и инженерными данными предприятия — PDM-системы.

Технология CALS представляет собой совокупность принципов и технологий информационной поддержки жизненного цикла продукции на всех стадиях. Она основана на использовании единого информационного пространства (интегрированной информационной среды), обеспечивает единообразные способы управления процессами и взаимодействия всех участников этого цикла (заказчиков и поставщиков (производителей) продукции, эксплуатирующего и ремонтного персонала). Эта технология реализована в соответствии с требованиями международных стандартов, регламентирующих правила управления и взаимодействия посредством ЭОД.

Аналогом понятия CALS-технологии считается русскоязычная формулировка — «информационная поддержка процессов жизненного цикла изделий» (ИПИ). Сущность ИПИ-технологии представляет:

• • применение современных информационных технологий;
• • реинжиниринг бизнес-процессов;
• • применение методов «параллельной» разработки;
• • стандартизация в области совместного использования данных и электронного обмена информацией.

В дословном переводе аббревиатура CALS означает «непрерывность поставок продукции и поддержки ее жизненного цикла». Определение «непрерывность поставок» требует и подразумевает оптимизацию процессов взаимодействия заказчика и поставщика в ходе разработки, проектирования и производства сложной продукции, срок жизни которой с учетом модернизации может превысить десятилетие. Вторая часть определения CALS — «поддержка жизненного цикла» — подразумевает оптимизацию процессов обслуживания, ремонта, снабжения запасными частями и модернизации.

Основное содержание ИПИ-технологии, принципиально отличающее эту концепцию от других, составляют инвариантные понятия, которые полностью или частично реализуются в течение ЖЦ любого изделия, независимо от его назначения и физического воплощения. Эти понятия условно можно разделить на две категории: основные ИПИ-принципы и базовые ИПИ-технологии.

К основным ИПИ-принципам относятся следующие принципы:

• • анализ и реинжиниринг бизнес-процессов;
• • параллельный инжиниринг;
• • безбумажный обмен данными с использованием ЭЦП;
• • системная организация постпроизводственных процессов ЖЦ изделия — интегрированная логистическая поддержка.

К базовым ИПИ-тсхнологиям относятся следующие технологии:

• • управление информационной средой;
• • управление конфигурацией изделия;
• • управление качеством;
• • управление проектом;
• • управление потоками работ;
• • управление изменениями производственных и организационных структур.

Ядро CALS-технологии составляет единое информационное пространство, представляющее собой распределенное хранилище данных, существующее в сетевой компьютерной системе, охватывающей все службы и подразделения предприятия, связанные с процессами ЖЦ изделий.

Основным строительным блоком CALS-технологии являются стандарты, описывающие правила электронного представления данных об изделиях, среде и процессах, а также правила обмена этими данными. Нормативные документы в области CALS-технологии делятся па три основные группы:

• 1) стандарты, описывающие общие принципы ЭОД, определяющие организационно-технические аспекты такого взаимодействия;
• 2) стандарты, регламентирующие технологии обеспечения безопасности данных, в частности их шифрование в процессе обмена, применение ЭЦП для подтверждения их достоверности и др.;
• 3) технические стандарты, определяющие форматы и модели данных, технологии представления данных, способы доступа и использования данных, описывающих изделия, процессы и среду, в которой протекает ЖЦ изделия.

К основным аспектам, определяющим эффективность применения CALS-технологии, относятся следующие: автоматизация проектирования и производства изделий; информационная интеграция процессов, обеспечивающая совместное и многократное использование одних и тех же данных; переход к безбумажной организации интеллектуальных процессов и применение новых моделей их организации.

Из перечисленных аспектов можно выделить факторы, непосредственно влияющие на экономические показатели производства, применяющего CALS-технологии:

• • сокращение затрат и трудоемкости процессов технической подготовки производства новых изделий;
• • сокращение сроков выполнения государственных заказов и вывода новых конкурентоспособных изделий на рынок;
• • сокращение доли брака и затрат, связанных с внесением изменений в конструкторскую и технологическую документацию;
• • увеличение объемов продаж изделий, снабженных технической документацией (в частности, эксплуатационной) в электронном виде в соответствии с требованиями международных стандартов;
• • сокращение затрат на эксплуатацию, обслуживание и ремонт изделий.

Технологии CALS применяют, прежде всего, при разработке и производстве сложной наукоемкой продукции, создаваемой интегрированными промышленными структурами, включающими в себя научно-исследовательские институты, КБ, основных подрядчиков, субподрядчиков, поставщиков готовой продукции, потребителей, предприятий технического обслуживания, ремонта и утилизации продукции.

• [1] Официальный сайт прикладных решений компании «1C». Описание конфигурации"РОМ". URL: http://www.solutions.lc.ru/catalog/pdm/features.