Регистрация / Вход
Прислать материал

14.579.21.0130

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.579.21.0130
Тематическое направление
Информационно-телекоммуникационные системы
Исполнитель проекта
Общество с ограниченной ответственностью "Феникс-ТУЛС"
Название доклада
Разработка и программная реализация информационной модели данных цифрового машиностроительного производства.
Докладчик
Зарубин Сергей Геннадьевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цифровое производство - это современная концепция управления предприятиями машиностроения, основанная на достижении максимального взаимодействия систем проектирования и инженерного анализа CAD/CAM/CAE/CAPP, систем управления жизненным циклом изделия PLM, предприятием ERP и производством MES с оборудованием и персоналом при решении производственных задач. Цифровое производство предполагает крайне высокую степень оснащения автоматизированным и автоматическим оборудованием, станками с ЧПУ, роботизированными комплексами, а также полную автоматизацию производственных, логистических и технологических процессов, зависящих от действий человека.
Важным элементом этой концепции является создание “цифровых двойников” реальных производств, позволяющих проводить имитационное моделирование и проектирование.

Целью прикладного научного исследования является разработка информационной модели жизненного цикла цифрового машиностроительного производства и информационно-программных средств, обеспечивающих ее функциональность.
Для достижения данной цели необходимо решить задачи:
Разработать типовой бизнес-процесс машиностроительного производства, включая его техническую подготовку.
Разработать объектную информационную модель производственных процессов, оборудования, персонала и ресурсов.
Разработать протоколы информационного обмена между различными уровнями управления производством.
Разработать алгоритмы визуализации и имитационного моделирования производственных процессов, включая работу цифрового оборудования.
Разработать универсальный язык управления цифровым машиностроительным производством и постпроцессоры с этого языка на языки управления оборудованием.
Актуальность и новизна исследования
Комплексные производственные процессы в машиностроении достаточно сложно автоматизируются в связи с тем, что управленческие, технологические и инженерные задачи играют в них примерно равную роль, при этом для их решения используются различные системы управления.
Новизна исследования заключается в том, что для создания ряда информационно-программных систем, связанных с различными аспектами проектирования и управления:
- технологической подготовки производства (CAPP)
- программирования обработки (CAM)
- имитационного моделирования технологических процессов (PS)
- контроля состояния и распределения ресурсов (RAS)
- диспетчерского управления и сбора данных (SCADA)
- прямого управления оборудованием (DNC)
предлагается единая информационная модель описания материальных ресурсов, оборудования, технологических процессов и персонала.
Для удобства ее использования разрабатывается универсальный язык цифрового производства, предназначенный для формализации управления:
- синхронизацией производственных процессов
- выполнением технологического маршрута изготовления продукции
- действиями персонала при выполнении технологической операции
- хранением, перемещением и комплектацией материальных ресурсов
- действием и движением оборудования.
Язык реализуется в виде специализированного алгоритмического языка с расширенной функциональностью и составом команд, а также средств описания процессов и потоков данных с помощью диаграмм.
Разрабатываемые средства визуализации и имитационного моделирования работы цифрового оборудования по программам, заданным на универсальном языке, должны обеспечить возможность моделирования и вариативного проектирования машиностроительного производства.
Описание исследования

Методика проведения исследований основана на: 

- использовании современных подходов к организации, управлению и технологии машиностроительного производства

- использовании государственных стандартов единой системы технологической документации (ЕСТД), стандартов серии ГОСТ Р МЭК 62264 "Интеграция систем управления предприятием", стандартов серии  ГОСТ ИСО Р 10303 "Представление данных об изделии и обмен этими данными", стандартов серии ГОСТ ИСО 13399 "Представление и обмен данными по режущим инструментам"

- использовании процессного подхода к организации подготовки производства и самой производственной деятельности                          

- изучении принципов работы ведущих зарубежных и отечественных систем инженерного проектирования и анализа (CAD/CAM/CAE/CAPP) и управления (ERP/PLM/MES)

- анализе принципов работы современного высокотехнологичного оборудования с ЧПУ и систем ЧПУ.

- обобщении опыта использования языков программирования систем ЧПУ станков и промышленных роботов

- использовании объектно-ориентированного подхода при разработке информационных и функциональных моделей данных и программного обеспечения. 

В ходе исследования был изучен опыт создания цифровых производств лидирующими иностранными фирмами разработчиками Siemens (Германия), Fanuc (Япония) и возможностей систем проектирования верхнего уровня, предназначенных для моделирования производственных процессов Delmia (Dassault Systemes) и Technomatix (Siemens).

Анализ бизнес-процессов связанных с изготовлением продукции основан на графическом построении, детальном изучении и анализе потоков работ (Workflow) и цепочек создания информационной и материальной ценности. При этом используются нотация ARIS eEPC, методология функционального моделирования IDEF0 и IDEF3, диаграммы потоков данных DFD, другие нотации для описания потоков работ.

Проведен детальный анализ  объектов, участвующих в бизнес-процессах изготовления продукции. Описание объектной модели базируется на комплексе стандартов ГОСТ Р МЭК 62264 «Интеграция систем управления предприятием» (основан на стандарте ANSI/ISA-95 «Enterprise-Control System Integration»). Данные стандарты представляют общий подход к описанию объектов предприятия, вовлеченных в производственный процесс. 

Для аналитического описания объектной модели используется нотация универсального языка моделирования UML, а структурное описание соответствует языку Business To Manufacturing Markup Language B2MML, являющемуся реализацией стандарта ISA-95 на базе технологии XML, реализованного в рамках работ MESA (Manufacturing Enterprise Solutions Association).

Объекты подразделяются на группы оборудования, персонала, материалов и технологических процессов. Внутри группы определены необходимые классы объектов для описания и моделирования процесса производства. Группа персонала описывает сотрудников предприятия и их роль в процессе производства. Группа оборудования описывает обрабатывающие центры и производственные участки. Группа материалов описывает производимую продукцию и ресурсы необходимые для ее производства – инструмент, заготовки, базирующая оснастка. Группа технологических процессов описывает элементы процесса производства – формирование задания на обработку, непосредственное изготовление продукции, процессы диспетчирования и контроля.

Полученная объектная модель определяет основу для взаимодействия систем автоматизации разных уровней, включает необходимые классы объектов для моделирования и визуализации ряда конкретных типов производств, рассмотренных в процессе анализа, а также обладает необходимым потенциалом для расширения функциональности на другие типы производства.

Программная реализация использует описанную выше объектную модель, совместима с нотацией B2MML и поддерживает различные механизмы хранения, включая реляционные базы данных.

В качестве программной среды для работы с инженерными данными используется Российская интегрированная инженерная платформа РИПП "Гербарий". К инженерным данным относятся математические и физические модели данных о материальных и информационных объектах производства:  обрабатывающем инструменте, технологической оснастке, заготовках, изделиях, оборудовании, траекториях движения.  

Хранение данных об одном и том же материальном объекте в разных системах управления создает серьезную проблему с обеспечением целостности информации. В целях обеспечения унифицированного и устойчивого  доступа к данным  о любом объекте производства, предлагается вести уникальную идентификацию всех объектов производства для всех используемых систем управления.     

 

Результаты исследования

Для анализа требований к созданию информационной модели цифрового машиностроительного производства были разработаны  бизнес-процессы  нескольких производств на основе нотации ARIS eEPC. Были рассмотрены процессы связанные с формированием производственного заказа и технологического маршрута,  с технологической подготовкой производства, с разработкой управляющих программ,  а также совокупность основных, вспомогательных и обслуживающих производственных процессов. Для каждого процесса определены условия его инициации и завершения, входные и выходные материальные и информационные ресурсы, определена типизация используемых ресурсов и их структурный и атрибутивный состав. Окончательная формализация процессной модели производства и создание типового бизнес-процесса была проведена на основе стандартного функционального моделирования IDEF0. 

Совместно с индустриальным партнером были разработаны следующие требования:

-  к алгоритму, порядку и правилам электронного обмена данными между различными уровнями управления производством: системой управления предприятием (ERP), системой оперативного управления цехом, системой управления производственным участком, диспетчерским пультом, системой технологической подготовки производства (CAPP), системой программирования  (CAM),  DNC-терминалом, системой ЧПУ на основании исследования потоков передачи данных при оперативном управлении производственными  процессами.

- к алгоритмам визуализации производственных процессов и действий персонала, на основании исследования возможных способов реализации задач их отображения и моделирования.  

- к математическим и физическим моделям представления материальных ресурсов и оборудования, а также алгоритмам сборки этих объектов в рабочую сцену производственного модуля на основании исследования возможных способов реализации задачи имитационного моделирования работы оборудования по управляющей программе в том числе для исключения столкновений компонентов оборудования при движении.

- к универсальному языку управления цифровым производством на основании исследования существующих языков программирования оборудования с ЧПУ и программируемых логических контроллеров, постпроцессоров и трансляторов для подключения существующих и перспективных типов программируемого оборудования, а также других задач программирования, применяемых в производстве.  

​На основании выработанных требований были разработаны следующие программные компоненты и алгоритмы:

- Объектно-ориентированная библиотека представления данных  ресурсного обеспечения производства. 

- Объектно-ориентированная библиотека представления данных об производственном оборудовании и производственных участках.

- Объектно-ориентированная библиотека  представления данных  производственных процессов , маршрутов ,  расписаний, заданий.

- Алгоритм электронного обмена данными между системами, обеспечивающими оперативное управление производством на различных уровнях.

- Алгоритмы визуализации  производственных процессов и имитации работы цифрового оборудования в режиме управления временем.

- Универсальный язык управления цифровым производством и цифровым оборудованием, используемым на производственных участках, рабочих центрах, производственных линиях.

- Трансляторы с известных языков управления оборудованием  на универсальный язык.

- Постпроцессоры  для подключения существующего и перспективного цифрового оборудования. 

Практическая значимость исследования
Создаваемая в рамках исследования информационная модель цифрового производства совместно с разрабатываемым программным обеспечением предназначена для использования в комплексном проекте «Разработка информационно-программных средств для автоматизации управления высокотехнологичным оборудованием в условиях цифрового машиностроительного производства» , который проводится совместно с головным разработчиком МГТУ МИРЭА, соисполнителями "НТЦ Гемма", "НТЦ Топ Системы", "Станкопресс" и индустриальным партнером ФГУП “НПО Техномаш”. Полученные результаты работы предназначены для коммерческого внедрения на предприятиях ракетно-космической, авиационной, автомобильной, судостроительной, приборостроительной промышленности, оборонно-промышленного комплекса, корпорации "Росатом" и должны обеспечить современный уровень автоматизации управления производств, оснащенных высокотехнологичным оборудованием с цифровым программным управлением, включая:
- обрабатывающие центры, роботы-манипуляторы и технологические участки на их основе
- роботизированные комплексы
- автоматические поточные линии
- автоматизированные склады
- средства транспортировки материальных ресурсов
- средства контроля качества выпускаемой продукции.
Исследование проводится в рамках расширения возможностей РИИПП "Гербарий" в области управления машиностроительным производством. Разрабатываемая информационно-программная среда должна послужить основой для развития различных систем управления, проектирования и анализа CAD/CAM/CAE/CAPP/PLM/MES на базе единой информационной модели. Проект предполагает использование технологии, обеспечивающей коллективную разработку модулей инженерного программного обеспечения различными коммерческими фирмами и организациями на основе единых архитектурных решений и унифицированных средств разработки, а также их квалификационное тестирование, отраслевое конфигурирование и распространение, которое реализуется средствами Единой среды управления (ЕСУ).
Все указанные факторы должны создать предпосылки для создания отечественной интегрированной системы проектирования и управления верхнего уровня, способной конкурировать с системами Teamcenter (Siemens), ENOVIA (Dassault Systemes), Windchill (PTC) в ограниченные сроки.