`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Как изменилось финансирование ИТ-направления в вашей организации?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

Компьютинг интегрированного автоматизированного производства

Статья опубликована в №7 (575) от 20 февраля

0 
 

Кем бы мы ни были, физиками или лириками, соглашаться с одним очевидным соображением приходится: мы крайне зависимы от артефактов – созданных руками человека объектов материального мира. Наш волосяной покров не способен нас согреть зимой, наши когти непригодны ни для выкапывания кореньев, ни для охоты...

Преамбула этой статьи кому-то может показаться странной, а ее заголовок – навевающим скуку. Но мы будем говорить о вещах исключительно важных и на самом деле куда более интересных, чем, например, – пресловутая «виртуальная реальность» (это утверждение обязательно получит пояснение в дальнейшем). Важных хотя бы потому, что благодаря этим вещам мы, люди, можем жить и растить потомство, несмотря на то что мы – животные весьма и весьма слабые и несовершенные.

Впрочем, достаточно вступлений. В этой статье мы попробуем, насколько это возможно для короткого журнального материала, ознакомиться с практически невидимой потребителю стороной современного компьютинга – с системами, обеспечивающими производство практически любой крупносерийной продукции.

Знакомство мы начнем, естественно, с пояснения использованных в названии определений. Термин «интегрированное производство», подкупающий интуитивной «понятностью» образующих его слов, на самом деле имеет четкое толкование. Под ним принято понимать объединение в одно целое разных производственных процессов. Такое объединение, разумеется, предусматривает наблюдаемость и управляемость полученного «целого». Если учесть очевидную сложность объединяемых процессов (даже самые простые из которых все равно сложны хотя бы потому, что обычно в них вовлечены работающие в реальном времени организационные структуры, объединяющие людей), интегрированное производство стало возможным только с появлением доступной надежной вычислительной техники и средств коммуникации. Роль последних в самой возможности создания интегрированного производства столь велика, что его общепринятое аббревиатурное обозначение – CIM (Computer Integrated Manufacturing). Интеграция обещает производителю два важнейших взаимосвязанных преимущества – сокращение времени от момента принятия решения до появления новой, обусловленной этим решением, продукции и снижение стоимости неизбежных в любой масштабной системе ошибок. Заметьте: интеграция только обещает, а не гарантирует, она – сложнейший организационно-технический процесс, который надо и удачно спроектировать, и эффективно овеществить.

С термином «автоматизированное производство» все проще. Чем выше уровень развития общества, тем более дорогостоящей становится его рабочая сила и, одновременно, – в нем увеличивается спрос на промышленную продукцию. Для того чтобы в таких условиях умудряться снижать ее стоимость, увеличивать объемы производства и сохранять на приемлемом уровне качество, производитель вынужден создавать такие производственные процессы, в которых вмешательство и участие людей – минимальны. Кроме этих экономических предпосылок к автоматизации производства существуют не менее очевидные факторы, вынуждающие в ряде случаев создавать полностью автоматические производственные линии, например, особенности технологического процесса, требующие работы в агрессивных средах, с ядовитыми или опасными веществами.

С точки зрения «компьютерщика», все сказанное выше можно проиллюстрировать на следующем простом примере, поясняющем, чем интегрированное производство... не является. Встроенные вычислители станка с числовым программным управлением и промышленного робота, подающего заготовки для обработки, образуют некую систему автоматизированного производства. Соединение их с рабочими станциями технологов, формирующих управляющие программы, – задача, решение которой часто очень далеко от тривиальности; это еще вовсе не «интегрированное производство», и даже не намек на него.

Ядро структуры полноценного интегрированного производства образует так называемая несопровождаемая производственная подсистема (LOM, Light Out Manufacturing), включающая ряд обязательных подсистем. С их аббревиатурными обозначениями многие далекие от производства пользователи компьютеров знакомы, и все же повторить их значение стоит. CAD-подсистема (Computer Aided Design) – епархия конструкторов, здесь рождаются точные модели будущего продукта, его узлов и деталей. CAE-подсистема (Computer Aided Engineering) отвечает за анализ этих моделей – их прочности, устойчивости к коррозии (да, это тоже моделируется), поведения в окружающей среде и т. п. Задача CAM (Computer Aided Manufacturing), CAPP (Computer Aided Process Planning) и PPC (Production Planning and Control) – обеспечение перехода от моделей отдельных деталей и узлов к наборам отдельных технологических процессов (CAM) и их последовательностей (CAPP), приводящих к овеществлению этих моделей и, наконец, – к готовому собранному изделию (PPC).

На нашем уровне ознакомления важно понимание многоуровневости настоящих CIM-проектов, подразумевающей полную готовность всех уровней к автоматизации и интеграции. И это далеко не так просто, как может показаться. Проблемы начинаются даже на самом нижнем уровне – станочном (MCL, Machine Control Level). Здесь, во-первых, должны использоваться исключительно станки с ЧПУ, во-вторых, с такими системами управления, которые допускают простое подсоединение их вычислителей к другим потребителям и источникам информации, в-третьих, нужно учесть различие стандартов программирования вычислителей станков и т. д. (как обычно, серьезные сложности начинаются в нюансах). Чем выше уровень иерархии, тем таких сложностей больше.

«Умное железо» нового производства

В 1969 г. специалисты японской корпорации Yasakawa Electric Company создали новое слово, сегодня ставшее привычным в лексиконе инженеров всего мира. Оригинальное определение Yasakawa Electric для термина «механотроника» звучит так: «Слово «механотроника» образовано от mecha – механизм и tronics – электроника. Иными словами, мы говорим о технологии и созданных на ее основе продуктах, в которых электроника проникает в традиционные механизмы так глубоко, что наступает момент, когда трудно провести границу, отделяющую механизм от электроники». Впоследствии безликий термин «электроника» был уточнен, и механотроника приобрела интеллект – в результате тесного, взаимопроникающего объединения встраиваемой микрокомпьютерной системы и механического устройства появились конструкции, немеханотронные аналоги которых просто невозможны. Более того, в современных механотронных устройствах объединение soft- и hard-составляющих настолько тесное, что это проявляется с самых первых этапов проектирования таких устройств – в отличие от существовавших ранее своих электромеханических предшественников они проектируются как единое целое. Последнее окончательно подтвердило законность нового слова, придуманного специалистами Yasakawa Electric, и сегодня механотроника – не только самостоятельная научно-инженерная дисциплина, курсы которой читают в ведущих университетах и технических колледжах мира, но и настоящий «стиль жизни современного инженера-практика» (именно так о ней говорится в книге «The Mechatronics Handbook»).

Достаточно четко сформулированное определение Yasakawa Electric скрывает один маленький «подводный» камень. А именно, в нем точно не определено, насколько трудно в механотронном изделии провести границу между механикой и встроенной электроникой. Щепетильные японцы не могли этого не заметить, и японское сообщество содействия машиностроительной промышленности (JSPMI) к концу 70-х годов прошлого века сформулировало четкую классификацию механотронных устройств. В соответствии с ней, механотроникой первого класса принято считать продукты с «внедренной» электроникой, направленной на расширение функциональности (например, станок с ЧПУ), механотроникой второго класса считаются классические механические системы, которые в результате «напичкивания» электроникой приобрели принципиально новые свойства, но внешне, для человека-пользователя, остались неизменными (скажем, автоматизированная сборочная линия), к третьему классу отнесены традиционно механические системы, в которых отдельные узлы заменены функционально эквивалентными электронными (как в кварцевых часах). Механотроника наивысшего, четвертого класса – это новые изделия, полученные в результате чистой синергетики механики и электроники, например, микросхемы-акселерометры или гироскопы.

В концепции CIM механотронные устройства всех четырех уровней приведенной выше классификации – то, без чего реализация всей системы принципиально невозможна. Вычислительное ядро – то, что поставлено в философии CIM в центр всей идеи интегрированного производства – увы, непосредственно способно воздействовать на реальный мир разве что нагревом воздуха и гудения вентиляторов. Но CIM – это же не только идея и философия, это и реально работающая система, в которой представленные потоками байтов управляющие воздействия должны преобразовываться в движения роботов и инструмент обрабатывающих центров. И наоборот, сигналы разной физической природы, несущие информацию о процессах в системе, должны преобразовываться в потоки данных, пригодных к цифровой обработке.

Если «просто механотронные» устройства, перечень которых огромен, можно смело считать сегодняшним днем, то адаптивная интеллектуальная механотроника – это то, чего промышленность пока только ожидает. Речь фактически идет об узлах, обладающих способностями как мониторинга своего состояния и состояния других узлов и окружающей среды, так и адаптации своего поведения к обнаруженным в результате мониторинга изменениям. Например, представим себе сравнительно несложный механотронный преобразователь «код – угол поворота», используемый в системе позиционирования заготовки для обработки на одной из ступеней автоматической производственной линии. Очевидно, что в большинстве случаев качество обработки заготовки будет зависеть от точности ее позиционирования. Но преобразователь – каким бы он ни был – устройство не вечное, изнашиваемое в ходе эксплуатации. И со временем точность позиционирования, несомненно, ухудшится – даже если в преобразователе используется обратная связь, износ может вызвать, например, паразитные колебания заготовки. Адаптивный же механотронный преобразователь самостоятельно постоянно оценивает свои «возможности» и изменяет параметры своей системы управления так, чтобы ошибка позиционирования была минимальной. Если изменение параметров приводит, скажем, к существенному падению быстродействия, преобразователь должен оповестить об этом систему управления более высокого уровня. При всех этих возможностях для конструктора автоматизированной производственной линии такой преобразователь – просто устройство, характеризующееся традиционными размерами, посадочными местами, потребляемой мощностью и способностью трансформировать цифровой код в угол поворота вала.

Естественно, скрытая вычислительная составляющая всех классов механотронных устройств реализуется различными аппаратными средствами. Механотроника первого и второго классов – область, где широко используются программируемые логические контроллеры (PLC), специализированные контроллеры и всевозможные встраиваемые компьютеры промышленного исполнения. Практически каждое изделие механотроники третьего класса требует разработки уникального минимального вычислителя на основе микроконтроллера или цифрового сигнального процессора. Четвертый класс – область, где востребованы заказные кристаллы и полностью разработанные «с нуля» микросхемы.

Soft-составляющая

Приведенный умозрительный пример на самом деле далеко не так прост и демонстрирует только одну из множества областей «вычислений промышленного назначения», в которых разработка программного обеспечения выходит далеко за рамки традиционного программирования. К тому же это в какой-то мере объясняет и происходящее смещение интереса в интегрированном производстве от механотроники первого и второго классов к более высококлассной. Пример же из реальности позволяет показать эффективность современной механотроники. С начала 70-х годов прошлого столетия существует (и процветает) область инженерии под названием «энергетический менеджмент здания» (BEMS, Building Energy Management Systems). Специалисты по BEMS решают сразу две глобальные задачи – снижение энергопотребления зданием и поддержание требуемых для комфортабельного пребывания в нем людей температурного режима и вентиляции. Одно время в управляющих BEMS-системах использовалась сравнительно несложная логика, реализованная с помощью традиционных программируемых логических контроллеров (PLC), и это давало определенные результаты. Но после того как специалисты по применениям нечеткой логики в задачах управления и идентификации систем «покопались» в этой задаче, за счет изменения вычислителя и использования новой алгоритмики удалось снизить энергопотребление в среднем в... 27 раз. Но выгода – это еще не все. Есть еще и обещанная в начале статьи «интересность». Программная составляющая современной адаптивной интеллектуальной механотроники – та область, где инженер и программист работают буквально на границе инженерии и науки, где рекомендациями «из справочника» добиться сколько-нибудь значимого результата практически невозможно.

В контексте же этой ознакомительной статьи пример BEMS-системы (к слову, являющейся обязательной составляющей полноценного интегрированного производства) демонстрирует выгоду, предоставляемую адаптивной интеллектуальной механотроникой, в программной основе которой – теория автоматического управления, нечеткая логика и генетические алгоритмы. Естественно, и для реализации подобной алгоритмики, и для упрощения разработки основанных на ней управляющих программ, требуются и новые аппаратные средства, и системное программное обеспечение.

Аспекты понятия CIM

  • действия производителя над всеми доступными ему ресурсами в диапазоне от проектной информации до контроля качества, маркетинга и высокоуровневого управления;
  • философия, в которой определяющим центральным элементом производства считается единая «пронизывающая» множество производственных процессов информационная система;
  • использование информационных технологий для объединения различных фаз производства, включая формирование концепции изделия, его проектирование, анализ, производство и сопровождение в единый процесс;
  • стратегическая цель производителя, движение к достижению которой обеспечивает его живучесть в условиях жесткой конкуренции;
  • механизм повышения ответственности людей, занятых в производственных процессах – высокая скорость реакции системы на решения означает не только возможность быстро устранять ошибки, но и не менее быстро, лавинообразно распространять их по всем уровням иерархии;
  • гибкость, производительность, прибыльность.
0 
 

Напечатать Отправить другу

Читайте также

 
 
IDC
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT