Информационная поддержка изделия на всех этапах жизненного цикла (CALS – технологии)

 

CALS-технологии

CALS-технологии (англ. Continuous Acquisition and Life cycle Support — непрерывная информационная поддержка поставок и жизненного цикла) — современный подход к проектированию и производству высокотехнологичной и наукоёмкой продукции, заключающийся в использовании компьютерной техники и современных информационных технологий на всех стадиях жизненного цикла изделия, обеспечивающая единообразные способы управления процессами и взаимодействия всех участников этого цикла: заказчиков продукции, поставщиков/производителей продукции, эксплуатационного и ремонтного персонала, реализованная в соответствии с требованиями системы международных стандартов, регламентирующих правила указанного взаимодействия преимущественно посредством электронного обмена данными.

ИПИ (информационная поддержка процессов жизненного цикла изделий) — русскоязычный аналог понятия CALS.

Применение CALS-технологий позволяет существенно сократить объёмы проектных работ, так как описания многих составных частей оборудования, машин и систем, проектировавшихся ранее, хранятся в унифицированных форматах данных сетевых серверов, доступных любому пользователю технологий CALS. Существенно облегчается решение проблем ремонтопригодности, интеграции продукции в различного рода системы и среды, адаптации к меняющимся условиям эксплуатации, специализации проектных организаций и т. п. Предполагается, что успех на рынке сложной технической продукции будет немыслим вне технологий CALS.

Развитие CALS-технологий должно привести к появлению так называемых виртуальных производств, в которых процесс создания спецификаций с информацией для программно управляемого технологического оборудования, достаточной для изготовления изделия, может быть распределен во времени и пространстве между многими организационно-автономными проектными студиями. Среди несомненных достижений CALS-технологий следует отметить лёгкость распространения передовых проектных решений, возможность многократного воспроизведения частей проекта в новых разработках и др.

Построение открытых распределенных автоматизированных систем для проектирования и управления в промышленности составляет основу современных CALS-технологий. Главная проблема их построения — обеспечение единообразного описания и интерпретации данных, независимо от места и времени их получения в общей системе, имеющей масштабы вплоть до глобальных. Структура проектной, технологической и эксплуатационной документации, языки её представления должны быть стандартизированными. Тогда становится реальной успешная работа над общим проектом разных коллективов, разделённых во времени и пространстве и использующих разные CAD/CAM/CAE-системы. Одна и та же конструкторская документация может быть использована многократно в разных проектах, а одна и та же технологическая документация — адаптирована к разным производственным условиям, что позволяет существенно сократить и удешевить общий цикл проектирования и производства. Кроме того, упрощается эксплуатация систем.

Для обеспечения информационной интеграции CALS использует стандарты IGES и STEP в качестве форматов данных. В CALS входят также стандарты электронного обмена данными, электронной технической документации и руководства для усовершенствования процессов. В последние годы работа по созданию национальных CALS-стандартов проводится в России под эгидой ФСТЭК РФ. С этой целью создан Технический Комитет ТК431 «CALS-технологии», силами которого разработан ряд стандартов серии ГОСТ Р ИСО 10303, являющихся аутентичными переводами соответствующих международных стандартов (STEP).

В ряде источников данную аббревиатуру представляют, как Computer Aided Acquisition and Logistic Support. В 1985 году Министерство обороны США объявило планы создания глобальной автоматизированной системы электронного описания всех этапов проектирования, производства и эксплуатации продуктов военного назначения. За прошедшие годы CALS-технология получила широкое развитие в оборонной промышленности и военно-технической инфраструктуре Министерства обороны США. По имеющимся данным это позволило ускорить выполнение НИОКР на 30—40%, уменьшить затраты на закупку военной продукции на 30%, сократить сроки закупки ЗИП на 22%, а также в 9 раз сократить время на корректировку проектов.

 

Появившись в 1980-х годах, CALS-технологии изначально были востребованы только как инструмент информационной поддержки материально-технического обеспечения. В настоящее время термин CALS подразумевает информационную поддержку изделия на всех этапах жизненного цикла, начиная с маркетинговых исследований и заканчивая утилизацией.

Жизненный цикл изделия (ЖЦИ) - перечень этапов, через которые проходит изделие за весь период своего существования. Включает этапы маркетинговых исследований, концептуального проектирования дизайна изделия, конструкторской и технологической подготовки производства, изготовления, обслуживания, утилизации и т. п. В основном, применяется по отношению к сложной наукоемкой продукции высокотехнологичных предприятий в рамках CALS-технологий.

Реализация CALS технологий в практическом плане предполагает организацию единого информационного пространства (Интегрированной информационной среды), объединяющего автоматизированные системы, предназначенные как для эффективного решения задач инженерной деятельности, так и для планирования и управления производством и ресурсами предприятия.

В единый процесс вовлекается множество проектирующих и машиностроительных предприятий с удаленным доступом к информации, прямой передачей информации от компьютера к машиностроительному оборудованию и т.д.

Интегрированная информационная среда представляет собой совокупность распределенных баз данных, в которой действуют единые, стандартные правила хранения, обновления, поиска и передачи информации, через которую осуществляется безбумажное информационное взаимодействие между всеми участниками жизненного цикла изделия. При этом однажды созданная информация хранится в интегрированной информационной среде, не дублируется, не требует каких-либо перекодировок в процессе обмена, сохраняет актуальность и целостность.

Целостность данных поддерживается в процессе управления конфигурацией проекта, а также тем, что нельзя одновременно изменять один и тот же объект разным разработчикам, каждый из них должен работать со своей рабочей версией. Другими словами, необходимо обеспечение синхронизации изменения данных, разделяемых многими пользователями.

Для этого выполняется авторизация пользователей и разрабатываются средства ведения многих версий проекта. Во-первых, пользователи подразделяются на классы (администрация системы, руководство проектом и частями проекта, группы исполнителей-проектировщиков) и для каждого класса вводят определенные ограничения, связанные с доступом к разделяемым данным; во-вторых, доступ регламентируется по типам разделяемых данных. Данным могут присваиваться различные значения статуса, например, "правильно", "необходимо перевычисление", "утверждено в качестве окончательного решения" и т.п.

Управление данными в едином информационном пространстве на протяжении всех этапов жизненного цикла изделий возлагается на систему PLM (Product Lifecycle Management). Под PLM понимают процесс управления информацией об изделии на протяжении всего его жизненного цикла. Отметим, что понятие PLM-система трактуется двояко: либо как интегрированная совокупность автоматизированных систем CAE/CAD/CAM/PDM и ERP/CRM/SCM, либо как совокупность только средств информационной поддержки изделия и интегрирования автоматизированных систем предприятия, что практически совпадает с определением понятия CALS.

Характерная особенность PLM - возможность поддержки взаимодействия различных автоматизированных систем многих предприятий, т.е. технологии PLM являются основой, интегрирующей информационное пространство, в котором функционируют САПР, ERP, PDM, SCM, CRM и другие автоматизированные системы многих предприятий.

В широком смысле слова CALS - это методология создания единого информационного пространства промышленной продукции, обеспечивающего взаимодействие всех промышленных автоматизированных систем (АС). В этом смысле предметом CALS являются методы и средства как взаимодействия разных АС и их подсистем, так и сами АС с учетом всех видов их обеспечения. Практически синонимом CALS в этом смысле становится термин PLM (Product Lifecycle Management), широко используемый в последнее время ведущими производителями АС.

 

Рис. 1. Этапы жизненного цикла промышленной продукции и используемые автоматизированные системы

 

При реализации целей и задач CALS необходимо соблюдать следующие основные принципы:

• информационная поддержка всех этапов ЖЦИ;
• единство представления и интерпретации данных в процессах информационного обмена между АС и их подсистемами, что обусловливает разработку онтологий приложений и соответствующих языков представления данных;
• доступность информации для всех участников ЖЦИ в любое время и в любом месте, что обусловливает применение современных телекоммуникационных технологий;
• унификация и стандартизация средств взаимодействия АС и их подсистем;
• поддержка процедур совмещенного (параллельного) проектирования изделий.

Рассмотрим содержание основных этапов ЖЦИ для изделий.

Маркетинговые исследования

Цель маркетинговых исследований - анализ состояния рынка, прогноз спроса на планируемые изделия и развития их технических характеристик. На данном этапе жизненного цикла находит применение система CRM (Customer Requirement Management - Управление взаимоотношениями с заказчиками).

Система CRM - это система, на вход которой поступают данные, связанные с клиентами компании, а на выходе появляется информация, влияющая на поведение компании в целом или на поведение ее отдельных элементов (вплоть до конкретного работника компании). Другими словами, CRM -система - это, прежде всего, база данных с информацией о клиентах, и набор приложений, которые позволяют, во-первых, собирать информацию о клиенте, во-вторых, ее обрабатывать, в третьих, делать определенные выводы на базе этой информации, экспортировать ее в другие приложения или просто при необходимости предоставлять эту информацию в удобном виде. Собственно, эти моменты и являются ключевыми функциями CRM -систем. Результатами работы CRM -системы могут пользоваться не только сотрудники компании, но и непосредственно сам клиент.

Примером использования может быть разработка дизайна нового продукта, который подходит по стилю к уже выполненным для данного заказчика работам, доступ к просмотру которых можно легко получить с помощью CRM -системы.

Проектирование

Одним из наиболее важных этапов является этап проектирования. Автоматизация проектирования осуществляется САПР (Системами автоматизированного проектирования). В САПР машиностроительных отраслей промышленности принято выделять системы функционального (системы расчетов и инженерного анализа - системы CAE (Computer Aided Engineering)), конструкторского (системы CAD (Computer Aided Design)) и технологического проектирования (системы CAM (Computer Aided Manufacturing)).

На этом этапе формируется объемная геометрическая модель машиностроительного изделия или, так называемая, мастер - модель, которая будет играть определяющую роль на многих последующих этапах. На этом этапе выполняются различные виды инженерного анализа.

Для создания объемной модели изделия конструктор может воспользоваться методами трехмерного твердотельного, поверхностного моделирования или сочетанием этих методов.

На сегодняшний день все существующее программное обеспечение автоматизированного конструирования принято классифицировать по функциональной полноте. По этому признаку оно делится условно на три уровня. К нижнему уровню относятся программы, реализующие 2D модели в виде чертежей и эскизов. Например, CADMECH и CADMECH LT на базе AutoCAD и AutoCAD LT2000 (Интермех) T-Flex CAD LT (Топ Системы), КОМПАС 5 (Аскон) и др.

На среднем - располагаются программные комплексы, которые позволяют создать 3-х мерную геометрическую модель сравнительно несложного изделия, в основном, методом твердотельного моделирования. К числу этих программных комплексов можно отнести: AutoCAD 2000 и AMD (AutoDesk), Solid Works (Solid Works), Solid Edge (Unigraphics Solutions) и др. Программные системы сквозного проектирования и производства расположены на верхнем уровне. Среди них можно выделить: CATIA5 (Dassault Systemes), EUCLID3 (EADS Matra Datavision), UNIGRAPHICS (Unigraphics Solutions), Pro/ENGINEER и CADDS5 (PTC).

Большинство систем инженерного анализа (CAE) используют метод конечных элементов. Для проведения какого-либо вида анализа, обычно, в CAD системе, на основе точной геометрической модели создается расчетная (упрощенная) модель путем удаления тех конструктивных элементов, которые не оказывают существенного влияния на результаты анализа. Расчетная модель передается в пакет анализа при помощи стандартных интерфейсов. Отдельные пакеты анализа имеют внутренние средства построения геометрической модели, с помощью которых может быть решена задача моделирования простых форм.

Современные программные средства CAE позволяют решать широкий спектр задач анализа линейной и нелинейной статики и динамики, устойчивости, теплопередачи, акустики, аэроупругости, оптимизации конструкции и многие другие.

Ведущими CAE-системам в настоящее время являются ABAQUS, ANSYS, COSMOS/M, LS-DYNA, MSC.ADAMS, MSC.NASTRAN.

Подготовка производства

Назначение этого этапа сводится к решению следующих основных задач:

• разработка технологий изготовления изделия, электродов, пресс-форм и штампов на основе их геометрических моделей, полученных на этапе проектирования;
• подготовка программ для станков с ЧПУ по спроектированным технологиям;
• контроль качества работы управляющих программ для станков с ЧПУ;

В производстве машиностроительных и части приборостроительных изделий используются технологии, в основе которых лежат различные физические процессы: механообработка, электроэрозионная обработка, литье металлов и пластмасс и др.

При выполнении различных видов механообработки используется общая база данных для поддержки связи между геометрической моделью обрабатываемой детали и управляющей программой для станка с ЧПУ, где проходы инструмента создаются по геометрии модели. Изменение геометрии отражаются в управляющей программе. Траектория движения инструмента создается интерактивно по поверхности модели изделия, обеспечивая технологов возможностью визуально наблюдать на мониторе имитацию процесса удаления стружки, контролировать зарезы и быстро вносить изменения в циклы обработки.

Подготовка программ для всех видов оборудования с ЧПУ выполняется автоматически, когда выбран станок и указан тип процессора, установленный на данный станок (например, CNC). Основными CAM-системами являются EdgeCAM, PowerMill, Mastercam.

При выборе и установке той или иной конфигурации ПО важно учитывать специфику моделей и задач, решаемых на каждом рабочем месте. В этом случае вместо одного пакета со множеством универсальных функций должны устанавливаться строго специализированные пакеты программ, разработанные в соответствии с этими задачами.

В совокупности и при условии организации обмена информацией между системами CAD/CAM/CAE получаем систему сквозного проектирования изделия (рис. 2.)

 

Другим важным аспектом является организация коллективной работы специалистов в составе рабочих групп в интерактивном режиме (дизайнеров, конструкторов, прочнистов, технологов и т.д.). На смену последовательному сквозному проектированию приходит параллельное проектирование и технологическая подготовка производства, так как благодаря такой организации труда достигается наивысшая производительность и существенно сокращается время разработки изделия. В этих условиях становятся актуальными вопросы организации обмена информацией.

 

 

Рис. 2. Организация сквозного проектирования изделия на примере отливок деталей корпуса электроприбора

Для решения проблем совместного функционирования компонентов САПР различного назначения, координации работы систем CAD/CAM/CAE, управления проектными данными и проектированием разрабатываются системы, получившие название систем управления проектными данными PDM (Product Data Management). Системы PDM либо входят в состав модулей конкретной САПР, либо имеют самостоятельное значение и могут работать совместно с разными САПР.

Производство

На большинстве этапов жизненного цикла, начиная с определения предприятий-поставщиков исходных материалов и компонентов и кончая реализацией продукции, требуются услуги системы управления цепочками поставок - Supply Chain Management (SCM). Цепь поставок обычно определяют как совокупность стадий увеличения добавленной стоимости продукции при ее движении от компаний-поставщиков к компаниям-потребителям. Управление цепью поставок подразумевает продвижение материального потока с минимальными издержками. При планировании производства система SCM управляет стратегией позиционирования продукции. Если время производственного цикла меньше времени ожидания заказчика на получение готовой продукции, то можно применять стратегию "изготовление на заказ". Иначе приходится использовать стратегию "изготовление на склад". При этом во время производственного цикла должно входить время на размещение и исполнение заказов на необходимые материалы и комплектующие на предприятиях-поставщиках.

В последнее время усилия многих компаний, производящих программно-аппаратные средства автоматизированных систем, направлены на создание систем электронного бизнеса (E-commerce). Задачи, решаемые системами E-commerce, сводятся не только к организации на сайтах Internet витрин товаров и услуг. Они объединяют в едином информационном пространстве запросы заказчиков и данные о возможностях множества организаций, специализирующихся на предоставлении различных услуг и выполнении тех или иных процедур и операций по проектированию, изготовлению, поставкам заказанных изделий. Проектирование непосредственно под заказ позволяет добиться наилучших параметров создаваемой продукции, а оптимальный выбор исполнителей и цепочек поставок ведет к минимизации времени и стоимости выполнения заказа. Координация работы многих предприятий-партнеров с использованием технологий Intrenet возлагается на системы E-commerce, называемые системами управления данными в интегрированном информационном пространстве CPC (Collaborative Product Commerce).

Организованная удаленная работа различных предприятий над одним продуктом образует виртуальное предприятие.

Управление в промышленности, как и в любых сложных системах, имеет иерархическую структуру. В общей структуре управления выделяют несколько иерархических уровней, показанных на рис. 3. Автоматизация управления на различных уровнях реализуется с помощью автоматизированных систем управления (АСУ).

Рис. 3. Общая структура управления

Информационная поддержка этапа производства продукции осуществляется автоматизированными системами управления предприятием (АСУП) и автоматизированными системами управления технологическими процессами (АСУТП).

К АСУП относятся системы планирования и управления предприятием ERP (Enterprise Resource Planning), планирования производства и требований к материалам MRP-2 (Manufacturing Requirement Planning) и системы SCM. Наиболее развитые системы ERP выполняют различные бизнес-функции, связанные с планированием производства, закупками, сбытом продукции, анализом перспектив маркетинга, управлением финансами, персоналом, складским хозяйством, учетом основных фондов и т.п. Системы MRP-2 ориентированы, главным образом, на бизнес-функции, непосредственно связанные с производством. В некоторых случаях системы SCM и MRP-2 входят как подсистемы в ERP, в последнее время их чаще рассматривают как самостоятельные системы.

Промежуточное положение между АСУП и АСУТП занимает производственная исполнительная система MES (Manufacturing Execution Systems), предназначенная для решения оперативных задач управления проектированием, производством и маркетингом.

В состав АСУТП входит система SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), выполняющая диспетчерские функции (сбор и обработка данных о состоянии оборудования и технологических процессов) и помогающая разрабатывать ПО для встроенного оборудования. Для непосредственного программного управления технологическим оборудованием используют системы CNC (Computer Numerical Control) на базе контроллеров (специализированных компьютеров, называемых промышленными), которые встроены в технологическое оборудование с числовым программным управлением (ЧПУ). Системы CNC называют также встроенными компьютерными системами.