Промышленная автоматизация: движение от САПР к PLM

Олег Зыков, IT News

Тема САПР и промышленной автоматизации привлекает все большее внимание IT-прессы, и это не случайно. В 1990-е годы предприятия увлеклись автоматизацией бухгалтерского и финансового учета, корпоративного управления. Вне поля зрения руководителей зачастую оставался производственный сектор, а ведь именно он является основой функционирования предприятия и важнейшим источником прибыли. На современном российском рынке все заметнее становятся важные структурные изменения: предприятия переходят от автоматизации разрозненных участков конструкторско-технологической подготовки производства к созданию единого информационного пространства как в рамках завода, так и в рамках холдинговых структур. Данная тенденция, хотя и с некоторым опозданием, начинает соответствовать общемировой практике.

Чем характерен бизнес в производственной сфере? Давайте посмотрим на диаграмму временных и материальных издержек промышленного предприятия. Не менее 70% затрат приходится на производственные функции, и именно в сфере производственной деятельности могут быть скрыты основные резервы, способствующие сокращению сроков выпуска новой продукции и повышению конкурентоспособности предприятия. А что такое производство? Обычно 5-10% времени, которое отводится для самого процесса, занимает непосредственно выпуск изделия, а все остальное - подготовительные работы.

Временные и материальные издержки промышленного предприятия

Использование информационных технологий - один из немногих технологически и экономически выгодных способов повышения эффективности подготовки производства. Это известно давно и сомнений не вызывает. Основным инструментом автоматизации конструкторских и технологических подразделений по-прежнему остаются системы автоматизированного проектирования (САПР). В статье речь пойдет о том, какие направления актуальны в данной области, чем сегодня живут отделы САПР российских промышленных предприятий. Но прежде чем говорить о современных тенденциях, несколько слов из истории.

С чего начинался САПР

Создание сложного изделия немыслимо без его графического представления - рисунка, схемы, чертежа, однако на протяжении веков не существовало системного подхода к этим иллюстрациям, и в чертежах Леонардо да Винчи разобраться кому-то другому было весьма проблематично. Бурное развитие промышленности в XIX-XX веках потребовало от чертежа универсальности - чертеж, выполненный одним инженером, должен понять любой другой специалист, имеющий соответствующее образование. В итоге появились стандарты на оформление, а конструктора получили кульман - удобный инструмент для выполнения чертежей.

Но со временем ручное черчение перестало устраивать. Чем? Скоростью! Постоянно увеличивались объемы работ, а главное - росло количество типовых разработок на основе существующих изделий, ужесточились требования к срокам выпуска изделия. И тут как нельзя кстати начала интенсивно развиваться компьютерная отрасль: появление доступных и не слишком сложных в освоении (по сравнению с тем, что было раньше) компьютеров дали старт конструкторским системам CAD (Computer-Aided Design). Сначала такие системы представляли собой электронные кульманы - все, что прежде делалось карандашом и линейкой, было заменено соответствующими электронными командами, но не более того. Однако даже такая автоматизация приносила плоды: по мере накопления базы электронных чертежей все легче становилось проектировать новые и модифицированные изделия.

Двумерное проектирование активно развивалось до середины 1990-х годов. Системы обзавелись несметным количеством приложений, библиотек, надстроек, позволивших максимально автоматизировать и упростить большинство чертежных задач. Появились и развились в отдельные направления расчетные системы CAE (Computer-Aided Engineering), системы проектирования обработки изделий на станках с числовым программным управлением CAM (Computer-Aided Manufacturing) и многие другие специализированные приложения, основанные на работе с данными, предоставляемыми CAD-системами. Параллельно развивался класс систем технологической подготовки производства САПР ТП (Computer-Aided Process Planning, CAPP), предназначенных для формирования технологических данных об изделии, ведения централизованного архива этой информации и автоматизированного выпуска технологической документации.

Однако плоское проектирование все-таки неестественно для человека - ведь мы мыслим в трехмерном пространстве, живем в окружении трехмерных объектов. И развитие вычислительных систем позволило вывести технологии проектирования на новый уровень.

"Лестница" развития систем промышленной автоматизации

Качественный скачок

Появление трехмерного моделирования оказалось настоящим прорывом, вначале доступным только пользователям мощных графических Unix-станций. По-настоящему массовым 3D-моделирование стало ближе к середине 1990-х годов, когда 3D-CAD-системы были переведены на платформу PC. Какие же выгоды предоставило пространственное конструирование?

Первое преимущество мы уже назвали: конструкторам не приходится "переводить свои мысли" из пространственного в плоский вид. Качественно изменился процесс проектирования: теперь разработчик сразу видит свою конструкцию такой, какой она и будет в действительности.

Помогает объемная модель и в реализации массы сопутствующих функций. 3D-модель можно использовать для решения расчетных задач (анализ напряжений, перемещений, колебаний, гидродинамики, теплопередачи), подготовки управляющих программ для станков с ЧПУ, а также реалистичных изображений для технической документации и рекламных материалов, создания физических образцов на установках быстрого прототипирования. Ну и конечно, по 3D-модели создаются чертежи - причем делать это существенно проще, чем вручную, поскольку вся геометрия на чертеже формируется автоматически, позволяя конструктору не задумываться о правильности построения видов, разрезов и сечений.

Вслед за CAD-системами практически все CAM/CAE-пакеты стали трехмерными, позволив в некоторых случаях отказаться от чертежа вообще. Скорее всего, на подходе и технологические САПР, работающие напрямую с конструкторской 3D-моделью.

Если суммировать все вышесказанное, то не трудно определить важнейшее преимущество трехмерного моделирования: теперь ошибки можно найти и исправить на ранней стадии проектирования, до появления первых опытных образцов. А коррекция проекта на цифровой стадии несоизмеримо дешевле, чем обнаружение недочетов после изготовления дорогостоящей опытной партии. Еще пятнадцать лет назад аналитическая компания Gartner Group произвела оценку стоимости исправления одной-единственной ошибки на различных стадиях подготовки производства:

$1 Концептуальное проектирование

$10 Конструкторская проработка изделия

$100 Изготовление макета изделия

$1 000 Проектирование технологической оснастки

$10 000 Изготовление оснастки

$100 000 Выпуск установочной серии

$1 000 000 Серийное производство

Системы 3D-моделирования бурно развивались, позволяя решать все новые задачи, например, такие как создание модулей гибки и штамповки листового материала, прокладка электрических соединений, трубопроводов, поверхностное моделирование сложных внешних форм, проверка собираемости и работоспособности конструкции, и многое другое. В настоящее время нелегко найти задачу, которую нельзя решить при помощи современных мощных CAD-систем.

Впрочем, было бы неверно говорить, что 3D-системы достигли вершины своего развития и проблем в этом направлении нет. Они существуют. Так, моделирование больших сборок, состоящих из десятков и сотен тысяч деталей, все еще является сложным для многих CAD-систем, эргономика работы конструктора пока далека от идеала. К тому же чем мощнее система, тем она труднее в освоении и работе. Короче, резервы для совершенствования есть, и немалые.

А что произошло с плоской графикой? 2D-проектирование не умерло. Во-первых, многие компании привыкли работать в плоскости и создали множество библиотек и приложений именно для автоматизации 2D-работ. Во-вторых, есть области, которые традиционно остаются двухмерными независимо от степени использования 3D - например, разработка электрических схем. В результате мы имеем широчайший выбор программных продуктов, от легких узкофункциональных двумерных решений (есть даже свободно распространяемые САПР-пакеты) до САПР тяжелого класса стоимостью в десятки тысяч долларов за рабочее место, позволяющих осуществить полный цикл разработки сколь угодно сложного изделия.

Итак, автоматизировав с помощью комплекса CAD/CAM/CAE/CAPP все направления подготовки производства, предприятие получает в свои руки цифровую модель изделия - это более высокий уровень, чем просто использование 3D-CAD-системы. Цифровая модель содержит как геометрию изделия, так и все необходимые расчетные данные, карты технологических процессов, ведомости, управляющие программы для станков, электронные описания изделия и технические руководства. Все прекрасно? Увы, огромный массив цифровой информации не только приносит пользу, но и доставляет значительные хлопоты создавшему его предприятию.

Новые задачи - новые решения

Простая автоматизация рабочих мест перестала устраивать предприятия. Почему? Время - вот важнейший фактор деятельности промышленного предприятия. В условиях усиливающейся конкуренции руководству предприятия необходимо решать вопросы роста и оперативного изменения номенклатуры выпускаемых изделий. Экономический эффект от "лоскутной" автоматизации минимален - ведь процесс проектирования остается последовательным, как во времена чертежных досок: конструкторы создают документацию, передают ее технологам, забирают обратно на корректировку, возвращают исправленную документацию технологам, те подготавливают технологическую документацию, согласовывают со снабженцами и экономистами и так далее. В результате ни полной экономической отдачи, ни действительно значимого сокращения срока подготовки производства автоматизация не приносит, хотя положительный эффект и достигается.

Не стоит забывать, что разработка и подготовка производства сложной, высокотехнологичной продукции - групповой процесс, в который вовлечены десятки и сотни специалистов предприятия или даже группы предприятий. В процессе разработки изделия возникает ряд проблем, влияющих на общий успех. Это в первую очередь отсутствие возможности видеть ключевые ресурсы, вовлеченные в процесс разработки, в их фактическом состоянии на данный момент времени, это организация совместной работы коллектива специалистов с привлечением компаний, поставляющих какие-либо компоненты для разрабатываемого изделия. Существенно сократить сроки подготовки производства можно только одним способом - за счет параллельного выполнения работ и тесного взаимодействия всех участников процесса. Эту задачу можно решить за счет создания единого информационного пространства (ЕИП) предприятия, другими словами, единого пространства цифровых данных о корпоративной продукции.

И здесь на сцену выходит новый класс систем, нацеленных на решение задач организации и координации работ инженерного персонала, - систем управления данными об изделии, PDM (Product Data Management). Конструкторы, технологи и другие специалисты не только получают информацию об изделии, но и дополняют ее, формируя состав изделия, который будет актуальным для разных служб предприятия. В дальнейшем, после изготовления изделия, информация о нем будет использована сервисными подразделениями для планового обслуживания, заказчиком - для конфигурирования готовой продукции под свои специфические потребности, а инженерным составом - для модернизации и изготовления нового изделия на основе уже спроектированного.

Еще в 1980-х годах поставщики САПР начали решать проблему хранения цифровой документации - так появились первые системы электронного архива. Архивирование и сейчас остается одной из функций PDM-систем. Однако современные PDM решают гораздо более широкий круг задач, позволяя полноценно реализовать следующую ступень развития САПР-технологий, аккумулировать цифровую информацию об изделии и непрерывно управлять (это ключевое слово) данной информацией на протяжении всего жизненного цикла изделия (ЖЦИ). Мы назвали концепцию PLM (Product Lifecycle Management) - принципиальным моментом современного этапа автоматизации промышленного производства.

А что представляет собой жизненный цикл изделия? Его основные этапы таковы:

Маркетинговые исследования потребностей рынка.

Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы (НИОКР).

Подготовка производства изделия на заводе-изготовителе серийной продукции.

Собственно производство и сбыт.

Эксплуатация и обслуживание изделий.

Утилизация изделий.

Поддержка выпускаемой продукции на каждом этапе жизненного цикла изделия - безусловное требование к современному промышленному предприятию. Известно, что изделия, требующие больших издержек в начальный период своего жизненного цикла, обычно менее рентабельны, чем продукция, инвестиции в которую равномерно распределены во времени или даже сдвинуты на более поздние сроки.

"Финансовый профиль" проекта создания, освоения и производства нового изделия

Сокращение сроков НИОКР и подготовки производства не только увеличивает прибыль компании за счет реализации дополнительной продукции, но и высвобождает средства для разработки новых продуктов, повышая общий доход предприятия. Реализация концепции PLM позволяет реально сократить непроизводственные стадии ЖЦИ. За счет чего это достигается? Рассмотрим подробнее функционирование основного ядра любого PLM-комплекса, системы PDM.

PDM-система крупным планом

Итак, основное назначение PDM-системы - совершенствование и облегчение доступа к данным об изделии. Такой результат достигается благодаря интеграции всей информации об изделии в логически единую модель. Существует много задач, которые решаются с помощью PDM-системы, среди них можно выделить наиболее распространенные:

Создание электронного архива чертежей и прочей технической документации.

Создание ЕИП для всех участников жизненного цикла изделия.

Автоматизация управления конфигурацией изделия.

Построение системы качества продукции согласно международным стандартам качества серии ISO 9000.

PDM-система управляет всеми связанными с изделием информационными процессами (в первую очередь, проектированием изделия и технологией его производства), а также всей информацией об изделии - его составом и структурой, геометрическими данными, чертежами, планами проектирования и производства, нормативными документами, программами для станков с ЧПУ, результатами анализа, корреспонденцией, данными о партиях и отдельных экземплярах изделия и многим другим.

PDM-система выступает в качестве средства интеграции множества используемых на предприятии прикладных автоматизированных систем (CAD/CAM/CAE/CAPP/ERP/MRP) за счет сбора поступающей из них информации в логически единую модель на основе стандартных интерфейсов взаимодействия.

Пользователями PDM-системы могут быть все сотрудники всех предприятий-участников жизненного цикла изделия: конструкторы, технологи, работники технического архива, а также сотрудники, работающие в других предметных областях (сбыт, маркетинг, снабжение, финансы, сервис, эксплуатация и т. п.). Главная задача PDM-системы - предоставить соответствующему сотруднику необходимую информацию в нужное время и в удобной форме (в соответствии с правами доступа).

Схема функционирования PDM-системы в едином информационном пространстве

Функционал PDM-системы можно четко разделить на несколько групп.

Управление архивом информации. Все документы в PDM-системе хранятся в специальной подсистеме - электронном архиве, который обеспечивает целостность данных, организует доступ к ним пользователей в соответствии с назначенными правами и позволяет осуществлять поиск. Разумеется, речь идет об электронных документах.

Управление процессами. PDM-система выступает в качестве рабочей среды пользователей и отслеживает все их действия, включая версии создаваемых ими данных. Кроме того, PDM-система управляет потоком работ (например, в процессе проектирования изделия) и занимается протоколированием действий пользователей и изменений данных.

Управление составом изделия. PDM-система содержит информацию о составе изделия, его исполнениях и конфигурациях. Важная особенность - наличие нескольких представлений состава изделия для различных предметных областей (конструкторский состав, технологический состав, маркетинговый состав и т. д.), а также управление применяемостью компонентов изделия.

Классификация. PDM-система позволяет распределять изделия и документы в соответствии с различными классификаторами. Это может быть использовано при автоматизации поиска изделий с нужными характеристиками с целью их повторного использования или для автоматизации присваивания обозначений компонентов изделия.

Вспомогательные функции, обеспечивающие взаимодействие PDM-системы с другими программными средствами, с пользователями, а также взаимодействие пользователей друг с другом.

Не касаясь особенностей конкретных PDM-систем, отметим несколько моментов, важных для тех предприятий, которые уже осознали необходимость реализации концепции PLM. С чего же начать?

Внедрение: готовность к изменениям

Внедрение PDM - длительный процесс, сопровождающийся привлечением значительных ресурсов как со стороны предприятия, так и со стороны поставщика программного обеспечения. Потребуется вносить изменения во все процессы - от работы конструктора до полного пересмотра стандартов предприятия. PDM-система не просто программное обеспечение, которое можно установить и забыть. Это новая технология работы предприятия, новый режим функционирования бизнеса.

Поскольку PDM-система предназначена практически для всех подразделений, для ее развертывания необходимо создать специальную проектную группу, возглавляемую руководителем проекта. Очень важно, чтобы руководитель проекта принадлежал к высшему руководству предприятия либо ему были делегированы такие полномочия на время внедрения проекта. В группу со стороны предприятия обязательно должен войти администратор системы - он займется установкой и поддержкой работоспособности PDM-системы. Кроме того, необходимы специалисты, досконально знающие, каким образом происходит движение различной документации и какие изменения она при этом претерпевает. Такие сотрудники помогут при настройке и адаптации системы. В проектную команду надо включать и нескольких опытных пользователей. Со стороны компании-внедренца PDM в проектную команду должны войти руководитель проекта (он же постановщик задач) и группа инженеров по внедрению.

Этапы внедрения PDM-системы

Перед проектной группой ставится целый комплекс задач: установка системы, организация работы и настройка серверов, настройка и наполнение баз данных и их адаптация к требованиям предприятия, организация автоматизированного обмена заданиями между сотрудниками и подразделениями. Как видно, объем работ значительный - внедренческий проект PDM-системы по трудоемкости не уступает внедрению системы управления корпоративного уровня.

Подводим итоги

Итак, для современного предприятия, выстраивающего долгосрочную стратегию развития, реализация концепции PLM становится не только привлекательной, но и необходимой составляющей бизнеса, поскольку только через концепцию PLM можно собрать вместе и управлять данными о корпоративной продукции, сделав их важнейшим бизнес-ресурсом.

При подготовке статьи использованы материалы компаний Dassault Systems и АСК