Основы мехатроники

Рисунок 6 - Концептуальная модель системы. Верхний уровень функциональной модели (контекстная диаграмма) проекта "Применение CALS-технологий в жизненном цикле турбин и турбинного оборудования".

Целью построения данной функциональной модели является анализ возможности и путей применения концепции CALS в жизненном цикле турбин и турбинного оборудования.

Согласно стандарту на контекстной диаграмме концептуальная модель представлена в виде единственной работы (функции) - "Обеспечить поддержку жизненного цикла турбин и турбинного оборудования". Основным результатом выполнения этой работы является повышение эффективности бизнес-процессов на всех этапах жизненного цикла турбин и турбинного оборудования (стрелка выхода). Исполнителями (механизмами) этой работы являются все участники жизненного цикла турбин и турбинного оборудования, в первую очередь - маркетинговые, проектные и производственные подразделения турбинного завода, транспортная и монтажная организация, электрическая станция и ремонтное предприятие. Для получения требуемого результата работы используются информационные ресурсы участников жизненного цикла турбин и турбинного оборудования (стрелка входа). В качестве управляющих воздействий в модели рассматриваются международные и российские стандарты; внутренние стандарты и правила; информационные технологии, лежащие в основе обеспечения связи и взаимодействия участников жизненного цикла турбин и турбинного оборудования.

Первая декомпозиция описываемой модели представлена на рисунке 7.

Рисунок 7 - Концептуальная модель системы. Первая декомпозиция.

В качестве основных работ приняты три функции:

1. представление данных о турбинах и турбинном оборудования в электронном виде. В качестве данных мы рассматриваем информационные объекты, которые порождаются на всех этапах жизненного цикла турбин и турбинного оборудования: от маркетинговых исследований до утилизации турбин и оборудования. Данная функция является первым этапом создания единого информационного пространства для предприятий-участников жизненного цикла турбин и турбинного оборудования;

2. интеграция данных о турбинах и турбинном оборудовании в рамках единого информационного пространства. Основным содержанием этой работы является выбор и согласование протоколов связи между предприятиями-участниками жизненного цикла турбин и турбинного оборудования, выбор и согласование единой технологии взаимодействия прикладных компонентов, создание единой модели данных и создание в этих условиях виртуального предприятия, которое обеспечит объединение затрат, навыков и доступ на глобальные рынки всех участников. Именно виртуальное предприятие может обеспечить потребителей тепловой и электрической энергии конкурентоспособными турбинами, соответствующими современным требованиям рентабельности, надежности и эффективности;

3. реинжиниринг бизнес-процессов жизненного цикла турбин и турбинного оборудования. Реинжинирингом является изменение структуры бизнес-процессов жизненного цикла турбин и турбинного оборудования на всех этапах.

Преобразование информационных ресурсов (стрелка входа) в электронные данные происходит под управлением требований информационных технологий (стрелка управления "технологии"), российских и международных стандартов, а также внутренних стандартов и правил (см. блок 1 на рисунке 7). Анализ действующих в настоящее время стандартов в России показал, что наряду с ГОСТами и руководящими документами, соответствующим требованиям CALS-технологий (стандарты России серии ГОСТ Р ИСО 10303 и руководящие документы серии Р50.1.), значительное число Российских стандартов требует приведения в соответствие с международными. В первую очередь это относится к стандартам ЕСКД (Единая система конструкторской документации) и ЕСТД (Единая система технологической документации). На турбинных заводах, кроме того, имеются отраслевые стандарты (ОСТ) и правила, которые также не соответствуют требованиям CALS-технологий. При разработке системы информационной поддержки жизненного цикла турбин и турбинного оборудования следует выбирать следующие приоритеты: при создании документации в электронном виде приоритет должен отдаваться российским стандартам, соответствующим требованиям CALS-технологий, а в случае их отсутствия - стандартам, рекомендованным ISO, и в первую очередь - ISO 10303 STEP и ISO 13584 PLIB. В случае создания документации на бумажном носителе приходится придерживаться российских стандартов, что связано с необходимостью обеспечения деятельности производственных подразделений турбинных заводов.

Еще одним управляющим воздействием является стрелка "Новые правила бизнеса", представляющая обратную связь по управлению работы "Выполнить реинжиниринг…" (блок 3, рисунке 7). Наличие обратной связи свидетельствует о наличии требований изменения структуры электронных документов под воздействием изменившихся правил бизнеса.

Вопросы интеграции данных и создания виртуального предприятия решаются соответствующей функцией (работой) - см. блок 2 на рисунке 7. Главной особенностью этой работы является наличие двух стрелок выхода: стрелка "Виртуальное предприятие" и стрелка "Повышение эффективности БП на этапах жизненного цикла турбин и турбинного оборудования", мигрировавшая с контекстной диаграммы. Интеграция данных о турбине и турбинном оборудовании, порождаемых на всех этапах, происходит в рамках виртуального предприятия . Управляющие воздействия для этой функции - требования стандартов (международных и российских) и возможности используемых технологий. В силу существенных различий во внутренних стандартах (ОСТах) предприятий-участников виртуального предприятия, их использование для задач интеграции данных нецелесообразно.

Третья функция на диаграмме декомпозиции - "Выполнить реинжиниринг бизнес-процессов". Необходимость в реинжиниринге очевидна: все предприятия российской экономики сегодня нуждаются в той или иной мере в реорганизации своих бизнес-процессов. Более того, опыт развитых стран показывает, что в высокотехнологичных отраслях экономики реинжиниринг бизнеса происходит практически непрерывно. Реорганизация бизнес-процессов, несомненно, имеет свои особенности у каждого участника виртуального предприятия, однако реинжиниринг должен происходить под управлением требований, накладываемых задачами интеграции участников в виртуальное предприятие. В связи с этим данная работа (см. блок 3 на рисунке 7) имеет пять стрелок управления. В свою очередь, новые правила бизнеса, выработанные в результате реинжиниринга бизнес-процессов у всех участников виртуального предприятия, оказывают управляющее воздействие на функцию "Представление данных о турбинах и турбинном оборудования в электронном виде", о чем свидетельствует наличие обратной связи по управлению.

Дальнейшая декомпозиция концептуальной модели системы раскрывает структуру системы информационной поддержки жизненного цикла турбин и турбинного оборудования. Декомпозиция работы "Представить данные о турбине и турбинном оборудовании в электронном виде" (блок 1, рисунке 7) представлена на рисунке 8, здесь же необходимо отметить следующее.

Рисунок 8 - Концептуальная модель системы. Декомпозиция А1 - "Представить данные о турбине и турбинном оборудовании в электронном виде"

Наиболее важная для всех последующих этапов жизненного цикла турбин - функция "Выполнить проектирование турбин и турбинного оборудования" (блок 1.2, рисунке 8). В описываемой концептуальной модели данная функция представляет собой объединение двух этапов - проектирование конструкции и проектирование технологии. Особая важность этого этапа жизненного цикла подтверждается статистическими данными: как показывает отечественный опыт, 50-70% имеющихся дефектов в готовой машиностроительной продукции вызваны ошибками в конструкторских решениях, 20-30% - недостатками технологии изготовления, 5-15% - возникают по вине рабочих. Информационные объекты, выполненные на этапах создания конструкции турбин и турбинного оборудования, в значительной мере могут быть представлены в электронном виде, поскольку степень развитости автоматизированных систем конструкторских работ (САПР) существенно выше, чем систем автоматизации технологической подготовки производства (АСТПП). Этому есть объективные причины: конструкторские системы в значительной степени универсальны, поэтому разработчики программного обеспечения больший интерес проявляют именно к этим системам. Системы технологической подготовки производства в большей степени обладают индивидуальными особенностями, характерными для конкретного производства, поэтому можно говорить о некотором отставании уровня АСТПП от САПР. Тем не менее, для турбинного производства, характеризующегося значительной долей сборочных операций и операций по обработке металлов резанием (они являются в достаточной степени формализуемыми и моделируемыми графическими твердотельными образами), эта проблема имеет хорошие перспективы к разрешению.

Электронные представления результатов технического проектирования турбины являются в большей степени промежуточными, необходимыми в первую очередь для дальнейшей разработки конструкции. Результаты рабочего проектирования, помимо производственных задач, представляют интерес и для маркетинговой, и эксплуатирующей организации, и, возможно, в первую очередь для ремонтной организации. Исходя из этого формы представления ИО этапа рабочего проектирования значительно более широкие.

Основной особенностью эксплуатационной документации является сам подход к ее созданию. В рамках концепции CALS информационная поддержка процессов эксплуатации изделий обеспечивается путем использования интерактивных электронных технических руководств (ИЭТР). Процесс подготовки ИЭТР должен представлять собой автоматическую процедуру генерации электронной документации с возможностью редактирования. Только таким образом обеспечивается преемственность и непротиворечивость информации.

Одна из основных задач технологической подготовки производства - обеспечение технологичности конструкции, несомненно, должна решаться непосредственно в процессе проектирования конструкции турбин и турбинного оборудования. Таким образом, по мере проведения работ по реинжинирингу производственных процессов все более обоснованно следует говорить о конструкторско-технологической подготовке производства.

Отдельной задачей является разработка программ для станков с ЧПУ. Широкое использование достижений САМ-технологий (САМ - Computer Aided Manufacturing), использование трехмерных твердотельных моделей деталей и узлов турбин для автоматизированной разработки постпроцессоров обеспечат управление информационными ресурсами на этапе конструкторско-технологической подготовки производства. На сегодня вопросы автоматизации технологической подготовки производства на турбинных заводах, как и на большинстве машиностроительных заводов России, весьма далеки от своего решения. Однако отдельные весьма успешные примеры движения в этом направлении внушают оптимизм.

Для реализации функции "Сформировать данные этапа изготовления и контроля качества" (см. рисунке 8, блок 1.3) силами подразделений турбинного завода, необходимо наличие единого информационного пространства предприятия. На рисунке 9 представлена структура корпоративной информационной среды турбинного завода. Корпоративная информационная среда рассматривается состоящей из двух связанных и взаимозависимых информационных систем, которые различаются по возложенным на них функциям. Первая информационная система - производственная, обеспечивает информационную поддержку основного, производственного сегмента деятельности турбинного завода. Вторая - информационная система обеспечения, создает информационную поддержку остальных спектров деятельности предприятия.

Рисунок 9 - Структура корпоративной информационной среды турбинного завода.

Фундаментом, как первой, так и второй информационной системой, является база данных. В силу различия функций двух информационных систем, базы данных имеют различную направленность. Производственная информационная сисема ориентирована на управление данными об изделии, в данном случае - турбоустановки, поэтому фактически является базой данных изделий. Информационная система обеспечения, которая ориентирована на подготовку производства и обеспечение его технологическими, финансовыми, людскими ресурсами, является базой данных предприятия. Система управления базой данных является единой как для базы данных изделий, так и для базы данных предприятия.

Для интеграции подсистем, выполняющих управление такими аспектами деятельности турбинного завода как управление финансами, персоналом, сбытом продукции, материально-техническим обеспечением и пр., предназначена система планирования ресурсов - ERP-система (Enterprise Resource Planning).

Для интеграции подсистем, базирующихся на базе данных изделий, и выполняющих поддержку основных, производственных функций турбинного завода, предназначена система управления данными об изделиях - PDM-система (Product Data Management).

Согласно концептуальной модели, представленной на рисунке 7, второй функцией (работой) на первой диаграмме декомпозиции является функция "Обеспечить интеграцию данных о турбине и турбинном оборудовании". Декомпозиция этой функции представлена на рисунке 10, здесь же необходимо отметить следующее.

Рисунок 10 - Диаграмма декомпозиции A2 - "Обеспечить интеграцию данных о турбине и турбинном оборудовании".

Особое значение вопросы интеграции данных об оборудовании приобретают на постпроизводственных этапах жизненного цикла турбин и турбинного оборудования. Одной из стрелок выхода на диаграмме А2 (см. рисунок 10) является стрелка с названием "Виртуальное предприятие". В связи с большой номенклатурой оборудования, имеющегося на эксплуатирующем предприятии (электростанции), оно, с точки зрения CALS-технологий, может быть участником целого ряда виртуальных предприятий. Для обеспечения поддержки жизненного цикла различных элементов оборудования создается интегрированная информационная среда электростанции, фундаментом которой является база данных предприятия и управляющая СУБД. В состав интегрированной информационной среды входят различные подсистемы, охватывающие все аспекты деятельности электростанции: "Управление персоналом", "Управление финансами", "Бухгалтерия", "Управление материально-техническим снабжением", "Управление эксплуатацией оборудования", "Техническое обслуживание и ремонт" и другие. Кроме этого, в составе интегрированной информационной среды должна быть подсистема, обеспечивающая поддержку жизненного цикла оборудования электростанций. Аналогичные подсистемы должны быть в составе информационных систем масштаба предприятия у каждого из участников жизненного цикла турбин и турбинного оборудования.

Система информационной поддержки жизненного цикла турбин и турбинного оборудования по своим принципиальным и технологическим аспектам с точки зрения информационных технологий не должна существенно отличаться от технологии организации любого другого электронного бизнеса. Основой электронного бизнеса в последние годы стали Internet-технологии, то есть технологии, основанные на использование различных служб Всемирной Паутины (World Wide Web - WWW). Новые технологии телекоммуникаций, сопровождающиеся резким увеличением пропускной способности каналов, в совокупности со снижением стоимости их использования, приводят к тому, что в ближайшее время основным режимом использования Internet станет режим on-line.

Сегодня Internet обеспечивает надежный и дешевый обмен информацией между узлами сети. Для виртуального предприятия, обеспечивающего непрерывную информационную поддержку жизненного цикла турбин и турбинного оборудования, надежная, устойчивая коммуникация является, пожалуй, одним из основных условий существования. Технология Internet на сегодня является единственной, которая позволяет добиться более высокого качества коммуникаций при меньших расходах, включая возможности обмена мультимедийной информацией в реальном масштабе времени (в частности, звуковой и видео информацией).

Виртуальное предприятие для информационной поддержки жизненного цикла турбин и турбинного оборудования создается путем отбора требующихся организационно-технологических ресурсов от различных предприятий и их интеграции с помощью компьютерной сети Internet в гибкую и динамическую структуру, приспособленную для скорейшего выпуска новой продукции и ее оперативной поставки на рынок.

Схема виртуального предприятия указана на рисунке 11.

Рисунок 11 - Схема виртуального предприятия

И так, рассмотрев основные принцыпы проектирования жизненного цикла мехатронных систем, можно выделить следующие критерии, необходимые для создания мехатронной системы:

- децентрализация управления вплоть до конструктивного встраивания устройств управления отдельными частями системы в эти части. Последнее позволяет удешевить всю систему в целом, повысить ее надежность и быстродействие за счет сокращения связей, распараллеливания и иерархического построения информационных процессов и процессов управления. Для таких систем разработаны различные варианты структур с сильными и со слабыми связями (распределенные системы). А также методы их проектирования;

- обеспечение значительно большей надежности управления, чем обычно считается приемлемым для других типов объектов. Это вызвано тем, в этих системах отказ управления, как правило, ведет к аварии всей системы. Разработаны и совершенствуются соответствующие программные методы решения этой задачи;

- широкое применение компьютерного моделирования без чего такие сложные системы, как правило, не могут быть созданы на современном научно-техническом уровне. Наряду с мехатроникой аналогичный системный подход к проектированию требуют многие технические системы. К ним, прежде всего, относятся автоматические системы, процесс проектирования которых нельзя разделить на проектирование сперва объекта управления, а затем устройства управления для него. К таким системам, в частности, относятся системы автоматического управления статически и динамически неустойчивыми, то есть неработоспособными без системы управления объектами, такими как ра кеты и некоторые другие летательные аппараты, электрические машины, и включающие их энергетические системы, работающие в режиме так называемой искусственной устойчивости, некоторые установки химической промышленности.

Список использованных источников

1. Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования: Учеб. для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2002., 336 с.

2. Норенков И.П. Информационная поддержка наукоемких изделий. CALS-технологии, - М.: Изд-во МГТУ им. Н.'Э. Баумана, 2002.-320 с

3. PLM по-русски. Елена Гореткина. PC Week САПР №15

4. Система управления инженерными данными и жизненным циклом изделия ЛОЦМАН:PLM V7.1

5. IBM принимается за управление жизненным циклом. PC Week САПР №29-30

6. Выбор системы управления жизненным циклом изделия Нижегородская сетевая лаборатория NBSLABS

7. База данных: Система упраления жизненным циклом изделия специального назначенияю. Черноморов Г.А , Михайлова С. А Заявка на официальную регистрацию структры базы даннх