На пути к цифровому предприятию

Александр Шаламов,
главный конструктор ООО «Пожарные Системы»

Олег Бесов, руководитель САПР-направления ООО «Пожарные Системы»

Введение

Путь к цифровому предприятию займет всё время, которое отведено для существования и развития предприятия.

Бизнес переходит в фазу высоких скоростей. Чтобы быть эффективным, надо быстро бежать, а чтобы быть лидером — надо нестись на гиперскорости. Прежние модели и бизнес­процессы становятся неэффективными, старые методы коммуникаций не работают. Модели потребления продуктов и услуг меняются. Коммуникация правит миром.

Об «Индустрии 4.0»

Основные тенденции развития глобальных информационных систем обозначены в книге Клауса Шваба «Четвертая промышленная революция».

Развитие Интернета, инфокоммуникационных технологий (ИКТ), устойчивых каналов связи, облачных технологий и цифровых платформ, а также информационный «взрыв» вырвавшихся из разных каналов данных обеспечили появление открытых информационных систем и глобальных промышленных сетей, выходящих за границы отдельного предприятия и взаимодействующих между собой. Такие системы и сети оказывают преобразующее воздействие на все сектора современной экономики и бизнеса за пределами самого сектора ИКТ и переводят промышленную автоматизацию на новую, теперь уже четвертую ступень индустриализации.

В четвертой промышленной революции коммуникации, обеспечиваемые цифровыми каналами связи и технологиями программного обеспечения, принципиально изменяют общество. Масштаб воздействия и скорость, с которой эти изменения происходят, произвели трансформацию, проявляющуюся совершенно не так, как любая другая промышленная революция в истории человечества. В будущем различие между странами с высокой и низкой стоимостью производства или между формирующимися и зрелыми рынками, будет иметь все меньшее и меньшее значение. Вместо этого ключевым вопросом станет способность той или иной экономики реализовывать инновации.

Представим некоторые направления «Индустрии 4.0»:

• элементы Интернета вещей (изделий);
• искусственный интеллект, машинное обучение и робототехника;
• облачные вычисления;
• «Большие данные» (Big Data);
• аддитивное производство;
• кибербезопасность;
• интеграционная система;
• моделирование;
• дополненная реальность.

На основе приведенных исследований Forbes Insights и Hitachi можно сделать вывод, что преобразования с использованием цифровых технологий зависят от организационной культуры и работы отдельных сотрудников не в меньшей степени, чем от внедрения технологических решений. Самая сложная задача при этом — изменить образ мышления людей.

Из четвертой промышленной революции вытекают четыре основных следствия для всех отраслей:

• ожидания потребителей меняются;
• качество продуктов совершенствуется за счет данных, повышающих производительность активов;
• новые партнерства формируются по мере осознания компаниями важности новых форм сотрудничества;
• операционные модели трансформируются в новые цифровые модели.

Мехатроника как направление, выбранное для решения наших задач в современном машиностроении

Механические системы разрабатываемых нами грузоподъемных машин на начальном этапе деятельности предприятия имели простое управление приводами этих машин. Однако с возрастанием требований к функциональным возможностям выпускаемых изделий средства управления обрастали новыми компонентами. К электрогидравлическим системам управления стали добавляться новые датчики, контроллеры, шины обмена данными и другие элементы. Пришлось внедрять средства микропроцессорного управления, которые вывели функциональные возможности в управление изделием на новый уровень, близкий к возможностям мехатронных систем.

Термин «мехатроника» введен японцем Тецуро Мориа (Tetsuro Moria), старшим инженером компании Yaskawa Electric, в 1969 году.

Мехатронный модуль — это функционально и конструктивно самостоятельное изделие для реализации движений с взаимопроникновением и синергетической аппаратно­программной интеграцией составляющих его элементов, имеющих различную физическую природу. К элементам различной физической природы относят механические, электротехнические, электронные, цифровые, пневматические, гидравлические, информационные и прочие компоненты.

На основании приведенных толкований можно сделать вывод о том, что большинство наших изделий являются мехатронными системами. К ним, например, можно отнести специальные пожарные автомобили и мобильные подъемники с рабочими платформами.

После проведения анализа собственной деятельности по разрабатываемым и изготавливаемым изделиям нами сделан вывод о том, что эта проектируемая и выпускаемая продукция по свойствам наиболее соответствует мехатронным системам. При этом цифровизация заняла существенную долю в сегменте управления.

Мехатронная система — совокупность нескольких мехатронных модулей и узлов, синергетически связанных между собой для выполнения конкретной функциональной задачи.

Синергический эффект — (от греч. synergos — вместе действующий) — возрастание эффективности деятельности в результате соединения, интеграции, слияния отдельных час­тей в единую систему за счет так называемого системного эффекта (эмерджентности).

Аналитические данные, предоставленные датчиками, размещенными на изделии, позволяют проводить постоянный мониторинг и активное техническое обслуживание, что, в свою очередь, позволяет максимально повысить эффективность его использования. Здесь речь идет не столько о выявлении конкретных дефектов, сколько об использовании контрольных показателей (на основе данных датчиков и мониторинга через алгоритмы), которые могут выявлять выход элемента оборудования за пределы нормального операционного параметра.

Краткий обзор методов конструкторско­технологической подготовки производства, которые применялись на первых (ранних) этапах цифрового моделирования

Попытки автоматизировать труд инженера, занимающегося разработкой и постановкой на производство продукции производственно­технического назначения, предпринимались достаточно давно. С развитием вычислительной техники, особенно с момента появления персональных компьютеров, начали создаваться системы автоматизированного проектирования (САПР). Первые системы представляли собой обыкновенный графический редактор, дающий возможность представлять схемы и чертежи в электронном виде с сохранением на носителе информации (запоминающем устройстве). Далее, с развитием вычислительной техники и прикладного программного обеспечения (для любителей сокращений — приложений, что допускается нормативными документами) возможности электронных вычислительных систем для инженера (конструктора, проектировщика, технолога, расчетчика) только расширялись. Появились системы CAD, CAM, CAE, которые перенесли процессы проектирования на новый уровень. Указанные средства дали возможность обеспечить представление изделия в виде каркасной модели, поверхностной модели, твердотельной модели, а также возможность формирования электронной структуры изделия.

Поскольку в связи с этим объем данных по проектам существенно вырос, возникла необходимость ими управлять. С развитием внутренних вычислительных сетей появилась возможность коллективной работы над проектами и возможность использования справочной информации, представленной в электронном виде. Появились системы управления данными (PDM) и средства управления жизненным циклом изделия (PLM). Параллельно внедрялись средства управления финансами, а также системы управления предприятием в целом. С развитием Глобальной сети (Интернета) стало возможным реализовать дистанционную (удаленную) работу над проектом, а также дистанционно осуществлять заказы на производство комплектующих у наших партнеров, например элементов (заготовок и деталей) лазерного раскроя.

Подобный путь одновременно с развитием цифровой индуст­рии прошли специалисты и нашего предприятия. Для нас это в основном работа по конструкторско­технологической подготовке производства.

Некоторые функциональные возможности средств информатизации, необходимые для решения задач машиностроения при цифровом проектировании и производстве

Средства информатизации для одного рабочего места представляют аппаратно­про­грам­мный комплекс, адаптированный для выполнения конкретных производственных задач. Обычно в своем составе он имеет персональный компьютер с достаточными вычислительными ресурсами или графическую станцию, которые оснащаются операционной системой и необходимыми прикладными программами. При коллективной работе над проектом создается достаточное количество рабочих мест, оснащенных специальным сетевым оборудованием (сетевыми адаптерами и др.), компьютеры которых с помощью сетевых кабелей и коммутаторов объединяются в вычислительную сеть. Дополнительно рабочие места могут подключаться к серверам, а сети могут оснащаться другими необходимыми техническими устройствами общего пользования. При такой конфигурации оборудования обеспечивается создание электронных архивов и предоставляется возможность использования специальных информационных баз данных для работающих в сети. Для получения дополнительной информации, а также обмена данными с партнерами по бизнесу необходимо обеспечить выход в Интернет. В результате оснащения специалистов, занятых в процессе КТПП, необходимыми аппаратными и программными средствами (средства АС КТПП) могут быть решены следующие задачи:

• управление требованиями к продукции (на отдельных этапах жизненного цикла);
• ведение архива электронной документации (для централизованного упорядоченного хранения);
• управление электронным документооборотом (автоматизация маршрутизации документации);
• разработка конструкторско­технологической документации (электронные модели и другие необходимые документы);
• управление составом и конфигурацией изделия (контроль изменений в составе и конфигурации);
• ведение справочников и классификаторов (централизованное ведение с целью исключения дублирования);
• управление изменениями (проведение изменений в утвержденных документах);
• управление технологической подготовкой производства (автоматизация создания маршрутов, технологических процессов, управляющих программ);
• управление проектами (планирование, выдача заданий, контроль исполнения);
• поддержка принятия решений (визуализация ключевых параметров для принятия решений);
• управление качеством (контроль выполнения требований и процессов);
• управление жизненным циклом продукции (контроль и поддержка на всех этапах);
• интеграция корпоративных приложений (интеграция всех цифровых систем в единое информационное пространство предприятия).

Работы, проведенные нами при переходе к новым цифровым технологиям. Поэтапное внедрение цифровых технологий

Основой нашей политики в развитии информационной инфраструктуры является принцип — «не навредить». При каждом шаге вперед должна проводиться корректная оценка наших возможностей. В первую очередь следует учитывать готовность специалистов к переходу на следующий уровень, состояние технических средств и необходимость в приобретении новых, а также финансовые ресурсы предприятия и получаемую выгоду от внедрения новых средств САПР.

Разумеется, при ограниченных ресурсах мы не можем себе позволить существенные риски при внедрении новых технологий в организацию конструкторско­технологической подготовки производства. Каждый шаг вперед сопровождается тщательным анализом текущей ситуации и последствий, которые можно ожидать от подобных действий. Лучшим в нашем положении является то, что обычно мы проводим опытную эксплуатацию новых систем и предварительно оцениваем свои ресурсные возможности, а также уровень предлагаемых нам технических решений. Это дает возможность избежать ошибок и неэффективных затрат.

По основным САПР мы ориентируемся на продукцию компании АСКОН — российского разработчика и интегратора инженерного программного обеспечения, а также на ее партнеров по консорциуму РАЗВИТИЕ. При внедрении продуктов данной компании в нашу производственную среду мы опираемся на лояльное отношение со стороны руководства и специалистов компании. Кроме того, наш выбор позволяет избежать конфликтных проблем, которые могут возникать при использовании зарубежного продукта. Такая ориентация позволяет нам работать с любым заказчиком.

Базовая часть, на которой основывается наша работа при проектировании изделия. Особое место трехмерной модели при подготовке изделия к постановке на производство

Сегодня для достижения успеха на рынке промышленное предприятие вынуждено работать над сокращением срока выпуска продукции, снижением ее себестоимости и повышением качества. Стремительное развитие компьютерных и информационных технологий привело к появлению CAD/CAM/CAE­систем, представляющих собой наиболее продуктивные инструменты для решения таких задач. Требования к этим системам отражены в соответствующих нормативных документах.

Под CAD­системами (compu­ter­aided design — компьютерная поддержка проектирования) понимают программное обеспечение, которое автоматизирует труд инженера­конструктора и позволяет решать задачи проектирования изделий и оформления технической документации при помощи персонального компьютера. САD 3D — это базовая часть всего нашего комплекса, который обеспечивает нам успешную конструкторско­технологическую подготовку производства (КТПП).

Системы CAD 3D в комплексе с остальными САПР­средствами предоставляют нам возможность создавать ЭМИ (электронные модели изделия) и работать по следующей схеме: электронный макет, электронная модель (детали, сборочной единицы, модель изделия), электронная модель завершающего этапа разработки (модель с присвоенной литерой).

Созданный, как правило, на этапе НИР электронный макет на последующих этапах проектирования постепенно превращается в электронную модель, обрастая новыми элементами конструкции, которые и придают электронной модели изделия функциональные свойства, определенные техническим заданием.

 Основное назначение электронной или цифровой модели — предоставление данных для обработки прикладным программам с целью получения новых необходимых данных.

На этапе создания электронной модели нами проводится анализ конструкции с применением CAE­системы. CAE­системы (computer­aided engineering — компьютерная поддержка инженерных расчетов) предназначены для решения различных инженерных задач: для расчетов конструктивной прочности, анализа тепловых процессов, определения собственных частот колебаний отдельных узлов, расчетов гидравлических систем и приводных механизмов. По результатам анализа прочности конструкции и после проведения необходимых корректировок модель передается для проверки на технологичность, если этого не было сделано ранее в процессе создания модели. Изготовленное и прошедшее приемочные испытания изделие с присвоенной КД соответствующей литерой передается изготовителю для подготовки к серийному производству.

Хотелось бы отметить, что на этапе изготовления (для нас) узлов и деталей, как правило, по аутсорсингу, достаточно широко используются CAM­системы. САМ­системы (computer­aided manufacturing — компьютерная поддержка изготовления) автоматизируют расчеты траекторий перемещения инструмента для обработки на станках с ЧПУ и обеспечивают выдачу управляющих программ с помощью компьютера. Необходимые для этого исходные данные в электронном виде, подготовленные нашими инженерами, предоставляются партнерам и используют­ся ими без дополнительной обработки и адаптации к оборудованию.

Развитие CAD/CAM/CAE­систем продолжается уже несколько десятилетий. За это время произошло некоторое разделение, или, точнее, «ранжирование» систем на уровни. Появились системы верхнего, среднего и нижнего уровней. Системы верхнего уровня обладают огромным набором функций и возможностей, но с ними тяжелее работать. Системы нижнего уровня имеют довольно ограниченные функции, но очень просты в изучении. Системы среднего уровня — это «золотая середина». Они обеспечивают пользователя достаточными для решения большинства задач инструментами, при этом не сложны для изучения и работы. Мы ориентируемся в основном на системы среднего уровня.

От выбора средств САПР, то есть разработчика системы, зависит дальнейшее успешное развитие предприятия.

В силу некоторых обстоятельств с выбором САПР мы определились практически сразу.

В тот период, когда происходило становление предприятия, требования по оформлению конструкторской документации по объективным причинам были несколько занижены в связи с обстоятельствами, в которых находились машиностроители, но вместе с тем ЕСКД никто не отменял. Конечно, у разных разработчиков САПР в системах есть свои особенности, которые выгодно отличают продукт от других подобных систем, но нас интересовал продукт, который имел бы набор функциональных возможностей для решения большинства наших задач, а также предоставлял возможности оформлять конструкторские документы в соответствии с требованиями ЕСКД. Мы остановились на продукции компании АСКОН и не прогадали. Немаловажную роль при этом сыграл фактор наличия в г.Твери, то есть «в шаговой доступности», подразделения компании АСКОН, где мы могли бы получать консультации по широкому спектру вопросов, возникающих при решении целого ряда задач машиностроения. Кроме того, нам импонировала оперативная реакция на обращения к специалистам технической поддержки данной компании.

Доступность консультаций, обучения, технической поддержки — это важные для нас критерии при выборе разработчика САПР

Еще до становления службы Service Desk в том виде, каковой она является в настоящее время, доступ к базе знаний, так же как и к технической поддержке, был и остается практически неограниченным. При приеме новых сотрудников в конструкторско­технологическую службу нашего предприятия и прохождении ими испытательного срока обязательным является обучение на online­ресурсе СДО АСКОН. В практике взаимопомощи организованы периодические посещения сотрудниками различных подразделений группы компаний АСКОН нашего, в общем­то, небольшого, предприятия.

Функциональные возможности системы КОМПАС­3D, которые наиболее часто используются нашими специалистами при работе над проектами

Кроме обычных методов и приемов в трехмерном проектировании нами часто используются:

• вычисления МЦХ детали, узла, изделия в целом;
• задание свойств компонентов, а также их атрибутов;
• задание параметрических связей между проектируемыми 3D­компонентами;
• применение элементов компоновочной геометрии;
• получение отчетов о составе модели (с формированием собственных стилей отчетов);
• библиотеки стандартных изделий и собственные библиотеки конструктивных элементов, а также библиотеки материалов и сортаментов;
• параметрические 2D­эскизы для предварительной оценки геометрии работы узлов и всего изделия.

Следует обратить внимание на дополнительные источники, которые приводят нас к новым знаниям и навыкам при использовании САПР.

Участие в многочисленных мероприятиях, организуемых компанией — разработчиком Комплекса решений для инженеров АСКОН, позволяет нам не только делиться опытом практического применения системы КОМПАС­3D для решения технических и технологических задач, но и перенимать опыт предприятий­пользователей со всех уголков страны и ближнего зарубежья. С представителями некоторых из них, благодаря таким мероприятиям, мы общаемся напрямую и поддерживаем дружеские отношения.

Подобные встречи не только приносят приятные впечатления, например от получения признания и призов, скажем, во время подведения итогов Конкурса асов 3D­моделирования, но и способствуют собственному развитию, и обеспечивают возможность быть в курсе тенденций развития IT­индустрии в сфере инженерного ПО, а также смежных областей естественно­научных знаний. Однако едва ли не самой главной пользой таких мероприятий является возможность прямого общения со специалистами, непосредственно участвующими в разработке и сопровождении программного продукта. В процессе общения со специалистами компании АСКОН мы чувствуем достаточно внимательное и лояльное отношение к нашему предприятию и сотрудникам.

При необходимости компанией АСКОН может быть продлен срок ознакомления с новым продуктом или новой версией. Хорошим тоном по отношению к пользователям ПО является оперативное реагирование сотрудниками компании на ситуации по сбоям в работе программного обеспечения, поискам причин случившегося, а также выработка рекомендаций по решению возникших проблем. Компания предоставляет различные льготные условия при предложении комплексных решений по внедрению программного обеспечения.

Доступ к новым версиям и участие в качестве экспертов

Особый интерес как с нашей стороны, так и со стороны разработчиков вызывает участие наших ведущих инженеров в альфа­тестировании версий ПО, находящихся в стадии разработки. Например, наше участие в «обкатке» 17­й и 18­й версий САПР, которые проходили в «Лаборатории КОМПАС» в г.Коломне.

В свободное от основной работы время сотрудники нашего предприятия стараются заниматься и бета­тестированием новых версий КОМПАС­3D.

Примеры эффективного применения средств  САПР

Уверенное владение инженерным ПО позволяет быстро реагировать на постоянно возрастающие требования к специальной и мобильной подъемной технике (основное поле нашей деятельности). За прошедшие полтора года на предприятии ООО «Пожарные Системы» было спроектировано, изготовлено и поставлено в подразделения пожарной охраны более десяти видов и модификаций автолестниц и автоцистерн с лестницей на шасси МАЗ, «Урал» и КАМАЗ. Наши изделия несут службу во многих регионах Российской Федерации, а также за ее пределами.

На рис. 1­4 приведены некоторые наши разработки, находящиеся сегодня в эксплуатации.

Рис. 1. Автолестница пожарная АЛ 22 (43502)

Рис. 2. Автолестница пожарная АЛ 30 (5340)

Рис. 3. Автоцистерна с лестницей АЦЛ 2,5-40-17 (4320)

Рис. 4. Осевой коллектор 3х13, предназначенный для передачи электрической и гидравлической энергии через вращающиеся элементы изделия

Оценка результатов внедрения цифровых методов в производственный процесс

Что мы получили в результате внедрения цифровых технологий, с помощью которых наши специалисты решают задачи по созданию новой техники?

Можно обозначить некоторые достижения, которые помогают идти вперед:

• повышено качество выпускаемых изделий;
• сокращены сроки реализации проектов;
• повышено качество рабочей техничес­кой документации при соблюдении требований ЕСКД;
• получена возможность коллективной работы над проектом;
• приобретены и совершенствуются навыки работы на основе современных методов КТПП;
• приобретены навыки в проведении виртуальных испытаний;
• существенно сокращено количество документов на бумажных носителях;
• освоено дистанционное оформление заказов на изготовление для нас деталей и заготовок;
• освоена возможность представления заказчику эскизных наработок по изделию на этапе заключения договора, а также оперативного предоставления отчетов о выполненных этапах работ;
• обеспечена возможность быстрого реагирования на дополнительные требования заказчиков;
• приобретены практические навыки в удаленной работе над проектами;
• получена возможность знакомиться с необходимой информацией непосредственно на рабочем месте в онлайн­режиме;
• освоена работа с Большими данными. Для нас это данные для общего использования при работе над проектом. К ним можно отнести стандарты предприятия, базу с нормативными материалами, справочники, предоставляемые разработчиками САПР, упрощенные модели покупных изделий, справочную и научную литературу и пр.;
• 3D­модели стали для коллектива чем­то вроде образцового изделия.

Направления развития цифрового предприятия. Возможности САПР для дальнейшего развития предприятия

Мы согласны с лозунгом Давида Левина (isicad): «Сегодня нужны не проекты внедрения, а программы развития».

Цифровая эра основана на оценке и использовании данных, повышении качества продуктов и опыта, переходе в мир непрерывной корректировки и уточнения. И это при том, что человеческий фактор взаимодействия должен составлять основу процесса.

Направления, которые мы должны поддерживать в дальнейшей работе:

• придание нашим разработкам свойств, которые обеспечивали бы контроль функционирования, сбоев в работе, а также диагностику причин отказов с помощью обмена данными через глобальные сети;
• эксперты предполагают, что в будущем каждое (физическое) изделие можно будет подсоединить к единой инфраструктуре связи, и повсеместные датчики позволят людям в полной мере воспринимать окружающую их среду;
• освоение новых приемов и методов работы с использованием новых версий САПР;
• внедрение средств функционального моделирования при разработке электрогидравлических систем управления;
• внедрение в КТПП средств управления инженерным документооборотом;
• обеспечение контроля над всеми этапами жизненного цикла изделия;
• передача инженерных данных в системы управления предприятием;
• внедрение «цифрового» оборудования непосредственно в производственный процесс.

Трудности, с которыми мы встретились на пути к цифровому предприятию

• Недостаточная подготовка инженеров к работе с современными цифровыми технологиями;
• недостаточное обеспечение ресурсами развития небольших предприятий, занимающихся разработкой и производством новых изделий;
• неготовность бизнеса переходить к цифровым технологиям при разработке и постановке продукции на производство;
• отсутствие готовых решений по информационному обеспечению предприятий;
• откровенная слабость некоторых эксплуатационных документов, которые обычно разрабатывают специалисты без учета интересов потребителей программного продукта;
• стиль, который принят для разработки эксплуатационных документов по программному обеспечению, не всегда устраивает (сложно понять специальные термины) конструкторов и технологов на рабочих местах;
• недопонимание некоторыми разработчиками прикладного программного обеспечения задач по развитию конкретных предприятий, а также недостаточная изученность их потребностей;
• недостаточная компетентность некоторых менеджеров по внедрению при демонстрации свойств САПР­продукта;
• недостаточное внимание бизнеса к защите информации, особенно инженерных данных.

Методы, которые мы используем для интеллектуального развития специалистов предприятия

• Оцениваем желание инженера заниматься инновациями;
• принимаем участие в мероприятиях, проводимых разработчиками инженерного программного обеспечения;
• предоставляем возможность специалистам знакомиться с новым программным обеспечением, в том числе и участвовать в форумах, вебинарах, конкурсах по направлениям нашей деятельности;
• заботливо опекаем вновь принятого сотрудника путем активной помощи в освоении приемов и методов работы в САПР;
• учитывая уровень подготовки наших специалистов, мы оказываем помощь в освоении новых приемов работы с помощью САПР­средств, а также по просьбе руководителей некоторых предприятий проводим сопровождение внедрения в производство цифровых методов КТПП.