Источник: НИЦ CALS-технологий "Прикладная логистика"

Концепции CALS

Гибкие производственные системы (ГПС) и интегрированные компьютеризированные производства (КИП)

Начиная с 80-х годов одним из направлений повышения эффективности производства стало широкое применение информационных технологий. Важным этапом развития на этом пути стало появление понятия гибкой производственной системы (ГПС). В соответствии с ГОСТ 26228-90, гибкая производственная система (ГПС) - "…управляемая средствами вычислительной техники совокупность технологического оборудования, состоящего из разных сочетаний гибких производственных модулей и (или) гибких производственных ячеек, автоматизированной системы технологической подготовки производства и системы обеспечения функционирования, обладающая свойством автоматизированной переналадки при изменении программы производства изделий". Принципиальной особенностью ГПС являлось наличие новой компоненты - компьютерной системы управления, обеспечивающей возможность увязки отдельных процессов, функций и задач в единую систему.

От внедрения ГПС ожидалось: уменьшение размеров предприятий, увеличение коэффициента использования оборудования и снижение накладных расходов, значительное уменьшение объема незавершенного производства, сокращение затрат на рабочую силу в результате организации "безлюдного" производства, ускорение сменяемости моделей выпускаемой продукции в соответствии с требованиями рынка, сокращение сроков поставок продукции и повышение ее качества.

Исследованиям в области применения информационных технологий в ГПС посвящено значительное число научных исследований.

Дальнейшее развитие работ в данном направлении в конце 80-х - начале 90-х годов привело к появлению понятия компьютеризированного интегрированного производства (КИП). Концепция КИП подразумевала новый подход к организации и управлению производством, новизна которого заключалась не только в применении компьютерных технологий для автоматизации технологических процессов и операций, но в создании интегрированной информационной системы предприятия. Информационная интеграция процессов достигалась путем использования общих баз данных, позволяющих более эффективно решать вопросы разработки и проектирования изделий, подготовки производства, планирования и управления производством, решения задач материально-технического обеспечения, охватывая все процессы предприятия.

Разработке и практическому воплощению концепции КИП был посвящен целый ряд работ российских и зарубежных ученых и исследователей. В рамках Государственной научно-технической программы "Технологии, машины и производства будущего" в 1988 в СССР началась реализация комплекса проектов по созданию автоматизированных заводов (АЗ) "Красный пролетарий" по производству металлорежущих станков и "Тверского завода штампов", представляющих собой попытку практической реализации концепции КИП.

По ряду объективных причин, проекты не были реализованы в полном объеме. Было выполнено предварительное проектирование АЗ, изготовлены опытные образцы нового оборудования, создан испытательный полигон, созданы основные компоненты интегрированной автоматизированной системы управления. В результате проведенных НИОКР был создан значительный научно-технический задел, который был использован в других проектах меньшего масштаба.

Ряд проектов был осуществлен за рубежом. Одним из первых стал проект АЗ, реализованный в Японии фирмой Mazak, для производства деталей металлорежущих станков. Завод включал в себя: комплекс гибких производственных модулей (ГПМ) и ГПС, автоматизированные склады, робокарную транспортную систему. Предусматривалось использование компьютерных сетей для сервисной и технической поддержки филиалов, а также взаимодействия с предприятиями-поставщиками комплектующих изделий.

В период 1985-1995 гг. в разных странах было создано около 20 КИП с различным уровнем автоматизации, из которых восемь АЗ выпускали металлорежущее оборудование, четыре - изделия для аэрокосмической промышленности (в США), остальные КИП были ориентированы на выпуск различных агрегатов широкой номенклатуры, включая компоненты вычислительной техники и электрических машин.

Интегрированные автоматизированные системы управления КИП (ИАСУ)

В концепции КИП роль интегрированной автоматизированной системы управления (ИАСУ) стала еще более значительной. На ИАСУ были возложены не только функции автоматизации процессов проектирования и производства изделий, но и совершенно новые задачи, связанные с обеспечением информационной интеграции процессов. Эта интеграция должна была осуществляться за счет совместного использования одной и той же информации (в электронном виде) для решения разных задач.

В составе ИАСУ было принято выделять автоматизированную систему управления (АСУ) предприятием (АСУП), АСУ конструкторско-технологической подготовки производства (АСКТПП), АСУ гибкими производственными участками (АСУ ГАУ), АСУ транспортно-складской системой (АСУ АТСС), АСУ инструментального обеспечения (АСИО), а также АСУ научными исследований (АСНИ).

Практика показала, что из всех задач ИАСУ наиболее типизируемыми оказались задачи автоматизации проектирования и подготовки производства, а также задачи уровня управления предприятием (АСУП). В конце 80-х - начале 90-х годов, на рынке появились самостоятельные программно-технические решения, пригодные для использования на предприятиях с различным уровнем автоматизации, в том числе и вне КИП в его классическом понимании. Возникли новые устойчивые понятия: CAD/CAM/CAE и MRP (MRP II).

Первое понятие - CAD (Computer Aided Design)/ CAM (Computer Aided Manufacturing) /CAE (Computer Aided Engineering) - обозначало комплекс программных средств компьютерного проектирования, подготовки производства и инженерных расчетов. Второе - MRP (Materials Requirement Planning - планирование потребностей в материалах), а позднее MRP II (Manufacturing Resource Planning - управление производственными ресурсами) - стало общепринятым обозначением комплекса задач управления финансово-хозяйственной деятельностью предприятия: планирования производства, материально-технического снабжения, управления финансовыми ресурсами, и других.

Появились первые стандарты и спецификации, определяющие функциональные требования к этим системам.

В начале 90-х, консалтинговой фирмой Gartner Group (США) была предложена концепция ERP (Enterprise Resource Planning - управление ресурсами предприятия). Сегодня термины MRPII и ERP практически полностью вытеснили термин АСУП и стали привычным для специалистов обозначением класса интегрированных информационных систем, предназначенных для управления производственно-хозяйственной деятельностью предприятия.

В соответствии с [ISO /IEC 2382-24:1995] системы класса MRP должны выполнять следующие функции:

• управления финансовыми ресурсами (Financial Management);
• управления персоналом (Human Resources);
• ведения портфеля заказов (Customer Orders);
• управления запасами (Inventory Management);
• управления складами (Warehouse Management);
• управления закупками (Purchasing); · управления продажами (Sales);
• управления сервисным обслуживанием (Service);
• прогнозирования объема реализации и продаж (Forecasting);
• объемного планирования (Master Production Scheduling);
• расчета потребностей в материалах (Materials Requirement Planning);
• оперативно-производственного планирования (Finite Scheduling);
• оперативного управления производством (Production Activity Control);
• управление техническим обслуживанием оборудования(Equipment Maintenance);
• расчета себестоимости продукции и затрат (Cost Accounting);
• управление транспортировкой готовой продукции (Transportation).

Подробное описание задач, выполняемых каждой подсистемой, приведено в литературе.

Характерными примерами современных ERP являются системы R/3 (SAP), BAAN IV (BAAN), Oracle Applications (Oracle Corporation), MFG/PRO (QAD), People Soft (People Soft Inc), OneWorld (J.D.Edwards), BPCS (System Software Associates, Syteline (Symix Systems) и другие. Следует упомянуть целый ряд интегрированных информационных систем, приближающихся по функциональности к ERP, представленных на рынке российскими компаниями: "БОСС" (компания АйТи), "Парус" ("Корпорация Парус"), "Галактика" ("Корпорация Галактика") и др.

Концепция КИП явилась важным этапом развития промышленных информационных технологий. На этой стадии развития возник и был частично апробирован целый ряд фундаментальных идей, принципов и технологий:

1. Сформировался класс систем автоматизации инженерного труда в процессах разработки изделия и подготовки производства. На первых этапах это были задачи автоматизации создания традиционной (бумажной) конструкторской документации. При помощи автоматизированных систем проектирования (CAD) создавался электронный чертеж - плоская геометрическая модель изделия. Впоследствии началось использование поверхностных и твердотельных объемных моделей компонентов изделия. Необходимость обеспечения совместимости таких геометрических моделей, разрабатываемых при помощи различных программных систем, явилась толчком к стандартизации форматов данных.
2. На основе конструкторских геометрических моделей изделия при помощи автоматизированных систем технологической подготовки производства (CAM) разрабатывались программы для станков с ЧПУ. Обмен геометрическими данными в электронном виде между CAD и CAM системами явился одним из первых реальных примеров информационной интеграции процессов.
3. Возникновение систем класса MRP II, обладающих определенным набором функций и взаимосвязей между функциями, создало основу для формирования некого функционального стандарта, регламентирующего общепринятую управленческую технологию, реализуемую с использованием компьютерных систем. Характерной чертой этой технологии явилось совместное использование общих баз данных в интересах различных процессов.
4. В КИП впервые не только решались задачи автоматизации отдельных производственных процессов, но и начали частично реализоваться принципы информационной интеграции.

    

Жизненный цикл изделия и его этапы

Анализ развития информационных технологий в производственных задачах показывает, что одним из направлений движения является все более полный охват стадий жизненного цикла продукции. Гибкие производственные системы решали задачи, касающиеся исключительно производства изделий. В компьютеризированном интегрированном производстве круг задач значительно расширился и включил в себя разработку, проектирование и изготовление, материально-техническое обеспечение и другие задачи предприятия. Тем не менее, остались нерешенными задачи: взаимодействия с заказчиком, взаимодействия с партнерами-поставщиками, послепродажного сопровождения изделия и многие другие.

К середине 90-х годов появилось осознание необходимости создания интегрированной информационной системы, поддерживающей весь жизненный цикл изделия.

По определению, приведенному в стандарте ISO 9004-1, жизненный цикл (ЖЦ) продукции это совокупность процессов, выполняемых от момента выявления потребностей общества в определенной продукции, до момента удовлетворения этих потребностей и утилизации продукции.

К основным стадиям ЖЦ относятся: маркетинг; проектирование и разработка продукции; планирование и разработка процессов; закупки материалов и комплектующих; производство или предоставление услуг; упаковка и хранение; реализация; монтаж и ввод в эксплуатацию; техническая помощь и сервисное обслуживание; послепродажная деятельность или эксплуатация; утилизация и переработка в конце полезного срока службы.

Продукция представляет собой результат некоторой деятельности или выполненных процессов. Можно выделить четыре общие категории продукции:

• технические средства - отдельное изделие определенной формы;
• обработанные материалы - изделие, являющееся результатом преобразования сырья в желаемое состояние;
• услуги - итоги непосредственного взаимодействия поставщика и потребителя и внутренней деятельности поставщика по удовлетворению потребностей потребителя;
• программное обеспечение.

Многообразие процессов в ходе ЖЦ и необходимость их интенсификации требуют активного информационного взаимодействия субъектов (организаций), участвующих в поддержке ЖЦ продукции. С ростом числа участников растет объем используемой и передаваемой информации.

Потребность в создании интегрированной системы поддержки ЖЦ изделия и систематизации информационного взаимодействия компонентов такой системы, приводят к необходимости создания интегрированной информационной системы (ИИС). В основе ИИС лежит использование открытых архитектур, международных стандартов, совместное использование данных и апробированных программно-технических средств.

В табл. 1 принципиально показано, как данные об изделии, выполняемых процессах и используемых ресурсах совместно используются на соответствующих стадиях ЖЦ.

В сложных долговременных проектах ИИС обеспечивает возможность взаимодействия проектных организаций и производственных предприятий, поставщиков, организаций сервиса и конечного потребителя на всех стадиях ЖЦ. В проектах, финансируемых или контролируемых государством, к необходимой информации могут иметь доступ уполномоченные государственные структуры.

Таблица 1

Субъекты жизненного цикла изделия	Стадии ЖЦ изделия
	Маркетинг	Проектирование и разработка продукции; планирование и разработка производственных процессов	Закупки, производство, контроль и проведение испытаний	Упаковка и хранение	Реализация продукции	Эксплуатация и техническое обслуживание
Заказчик	И П
Разработчик	И П	И П Р	И П	И П	И П	И П Р
Производитель		И П Р	И П Р	И П Р
Дистрибьютор					И П Р
Потребитель						И П Р
Поставщик		И П Р	И П Р	И П Р	И П Р
Сервисные организации						И П Р

И - данные об изделии;

П - данные о процессах;

Р - данные об используемых ресурсах.

Данный подход характеризуется следующими принципиальными особенностями:

• в отличие от компьютерной автоматизации и интеграции отдельных процессов, например, в производстве, решаются задачи информационной интеграции всех процессов ЖЦ;
• решаемые задачи выходят за границы отдельного предприятия, участники информационного взаимодействия могут быть территориально удалены друг от друга, располагаться в разных городах и даже странах;
• совместно используемая информация очень разнородна: это маркетинговые, конструкторско-технологические, производственные данные, коммерческая и юридическая информация и т.д. Для ее совместного использования способы, технологии представления и корректной интерпретации данных должны быть стандартизованы;
• основной средой передачи данных является глобальная сеть Интернет.

   

Возникновение концепции CALS и ее эволюция

Впервые работы по созданию интегрированных систем, поддерживающих жизненный цикл продукции, были начаты в 80-х годах в оборонном комплексе США. Новая концепция была востребована жизнью как инструмент совершенствования управления материально-техническим обеспечением армии США. Предполагалось, что реализации новой концепции, получившей обозначение CALS (Computer Aided Logistic Support - компьютерная поддержка процесса поставок), позволит сократить затраты на организацию информационного взаимодействия государственных учреждений с частными фирмами в процессах формализации требований, заказа, поставок и эксплуатации военной техники (ВТ). Появилась реальная потребность в организации ИИС, обеспечивающей обмен данными между заказчиком, производителями и потребителями ВТ, а также повышение управляемости, сокращение бумажного документооборота и связанных с ним затрат. Доказав свою эффективность, концепция последовательно совершенствовалась, дополнялась и, сохранив существующую аббревиатуру (CALS), получила более широкую трактовку - Continuous Acqusition and Life cycle Support - непрерывные поставки и информационная поддержка жизненного цикла продукции.

Первая часть - Continuous Acqusition (непрерывные поставки) означает непрерывность информационного взаимодействия с заказчиком в ходе формализации его потребностей, формирования заказа, процесса поставки и т.д. Вторая часть - Life Сycle Support (поддержка жизненного цикла изделия) - означает системность подхода к информационной поддержке всех процессов жизненного цикла изделия, в том числе процессов эксплуатации, обслуживания, ремонта и утилизации и т.д. Более подробно развитие концепции CALS рассмотрено в работах . В руководстве по применению CALS в НАТО CALS определяется как "…совместная стратегия государства и промышленности, направленная на совершенствование существующих процессов в промышленности, путем их преобразования в информационно-интегрированную систему управления жизненным циклом изделий". Русскоязычное наименование этой концепции и стратегии - ИПИ (Информационная Поддержка жизненного цикла Изделий).

В период 1990-2000гг. в мире был выполнен ряд проектов, направленных на апробацию и внедрение принципов CALS в различных отраслях промышленности. Краткие сведения о некоторых проектах приведены в табл.2.

Поскольку термин CALS всегда носил военный оттенок, в гражданской сфере широкое распространение получили термины Product Life Cycle Support (PLCS) или Product Life Management (PLM) - "поддержка жизненного цикла изделия" или "управление жизненным циклом изделия".

Таким образом, идея, связанная только с поддержкой логистических систем, превратилась в глобальную бизнес-стратегию перехода на безбумажную электронную технологию и повышения эффективности бизнес-процессов за счет информационной интеграции и совместного использования информации на всех этапах жизненного цикла продукции. В настоящее время в мире действуют более 25 национальных организаций, координирующих вопросы развития CALS-технологий, в том числе в США, Канаде, Японии, Великобритании, Германии, Швеции, Норвегии, Австралии, а также в НАТО.

Развитие концепций CALS и ЕИП обусловили появление новой организационной формы выполнения масштабных проектов, связанных с разработкой, производством и эксплуатацией сложной продукции - "виртуального предприятия" (ВП) - формы объединения на контрактной основе предприятий и организаций, участвующих в поддержке ЖЦ.

Таблица 2

Организации, применяющие CALS	Область применения	Потребности	Процессы	Результаты	Год
Airbus	Разработка аэробуса А380	Параллельная обработка данных	Проектирование и технологическая подготовка производства	Конкурентоспособная продукция	1990-наст. время
American Airlines	Эксплуатация самолетов	Управление конфигурацией Информационная поддержка процессов эксплуатации в мировом масштабе	Применение стратегии CALS к процессам и операциям эксплуатации самолетов	Сокращение количества бумажных документов. Снижение затрат на эксплуатацию	1990- наст. время
Bell Helicopter Textron	Создание информационной среды для поддержки обслуживания новой продукции у потребителей (CITIS - Contractor Integrated Technical Services)	Применение принципов CALS на всем жизненном цикле продукции	Параллельный инжиниринг	Сведения не публикуются	1992- наст. время
General Motors	Расширенное (виртуальное) предприятие. стоимость программы $3 млрд.	Стратегия интеграции	Интеграция процессов разработки и изготовления изделий	Стандартные средства и стандарты обмена данными между участниками предприятия GM и поставщиками.	1990-1995
Hughes Aircraft	Управление данными об изделии в рамках виртуального предприятия	CALS-стратегия	Интеграция процессов разработки и изготовления изделий	Повышение эффективности процессов	1992- наст. время
Lockheed Aeronautical	Рационализация и ускорение закупок	Процесс и система поставок. Требования к подразделению снабжения	Методы и системы управления поставками. Управление конфигурацией и данными об изделии	Резкое улучшение характеристик. Упорядочение денежных потоков. Снижение затрат	1993-1995
Lockheed Martin	Системы разработки интерактивных электронных технических руководств (ИЭТР)	Эталонные ИЭТР	Технологии разработки и сопровождения электронной эксплуатационной документации	Доход от выполнения контракта	1993-наст. время
McDonnell Douglas	Программа C-17	Интеграция предприятия	CITIS - Интегрированное технико-информационное обслуживание заказчика	Сокращение затрат	1990-1995
Northrop Grumman	Бомбардировщик B2	CITIS	Документация и обучение Новый порядок заказа запчастей. ИЭТР	Доход от выполнения контракта	1992-наст. время
Pratt & Whitney	644 поставщика, 130,000 заявок на закупки, 450,000 счетов в год. Обмен техническими данными по турбинам с фирмой Motoren-und Turbine-Union	Внедрение электронного обмена данными на основе CALS Интеграция предприятия	Процесс закупок. Пилотный проект параллельных разработок с использованием STEP.	83% поставщиков, обеспечивающих 92% поставок, используют электронный обмен данными. Сни-жение затрат	1992-наст. время
Raytheon	Программа "Patriot"	Внедрение CALS	Применение CALS для создания всей технической документации	Стандартные рабочие процедуры	1990-наст. время
Rockwell International	Бомбардировщик B1	Стратегия информационной интеграции	Методика проектирования систем на основе стратегии CALS	Программные решения CALS,обеспечивающие обслуживание B1 в ВВС США	1988-наст. время
Rolls Royce	Двигатели	Параллельные разработки	Интеграция процессов разработки и изготовления изделия	Снижение затрат и повышение качества	1990-наст. время
John Deere	Интеграция предприятия	Применение CALS к созданию автоматизированной среды предприятия	Объединение "островков автоматизации"	Расширение рынков сбыта. Параллельная работа с фирмой Caterpillar	1988-наст. время
Tokyo Electric Power	Среда применения CITIS	Интеграция предприятий. Ускорение реакций на нештатные ситуации. Закупки.	Увеличение количества квалифицированных поставщиков.	Демонстрация возможностей CALS	1993- 2000
НАСА	Космический телескоп Hubble	95,000 чертежей и 5 млн технических документов	Ремонт и аварийное восстановление	Успешный пример использования CALS-стандартов и стратегии применительно к наукоемкой продукции	1993-1997