Информационные технологии

Наиболее популярными SCADA системами в настоящее время являются GENESIS - фирма ICONICS, GENIE - фирма Advantich, а также TRACE MODE - московской фирмы AdAstra.

В заключение хотелось бы сказать, что понятие АСУТП изначально шире, чем SCADA. Когда в литературе иногда говорят о SCADA-системах, подразумевая АСУТП, это не совсем правильно. SCADA разрабатывались именно как системы, позволяющие предоставлять оператору информационные услуги на верхнем уровне управления технологическим процессом. Но они не могут обеспечить полностью автоматизированное управление сверху донизу хотя бы по той простой причине, что это всего лишь программный продукт, устанавливаемый на персональном компьютере. А любой технологический процесс требует, кроме того, еще разнообразного специфического оборудования и происходит он в реальной жизни, а не в виртуальной среде.

Однако сложившаяся практика построения автоматизированных систем управления достаточной сложности свидетельствует о том, что применение SCADA-систем в проектировании АСУТП значительно упрощает жизнь разработчикам и позволяет организовать надежное и качественное управление при эксплуатации систем.

ИТ в образовании

В процессе информационного образования выделяют следующие успехи:

Методологический аспект.

Экономический аспект.

Технический.

Технологический.

Методический.

Основными факторами, влияющими на использование информационных ресурсов на образовательный процесс:

Информационная перегрузка.

Компьютерная поддержка каждого изучаемого объекта.

Выполнение требований; целесообразное представление учебных материалов; достаточность, наглядность, полнота, современность, структурированность учебных материалов.

Многослойность представления материалов по уровню сложности.

Своевременность и полнота контрольных вопросов и тестов.

Протоколирование действий во время работы.

Интерактивность - возможность выбора режима работы с учебными материалами.

Наличие в каждом предмете основной, инвариантной, вариантной частей, которые могут корректироваться.

В настоящее время получили широкое применения следующие направления использования ИТ: компьютерные программы и обучающие системы; диагностические, тестовые сложные интеллектуальные системы; информационные среды на основе БД, БЗ; телекоммуникационные системы; электронные библиотеки; ГИС; системы защиты информации.

Электронные учебники, пособия, методические материалы могут быть разделены на следующие группы:

Учебники представляющие собой текстовое изложение материалов с иллюстрациями.

Учебники с высоко динамичными иллюстрационными материалами.

Системы виртуальной реальности.

Системы дистанционного обучения.

Технологии быстрого прототипирования

Традиционное моделирование

В процессе работы над новым проектом, особенно на стадии комплексного проектирования, трудно выявить различные ошибки и недостатки, используя только экран дисплея. Имея реальную физическую модель будущего изделия можно выявить и устранить различные ошибки, скорректировать пути продолжения процесса проектирования. Прототип изделия можно использовать в качестве концептуальной модели для визуализации и анализа конструкции; позволяет конструкторам выполнить доработку и провести некоторые функциональные тесты; может служить мастер-моделью для изготовления инструментальной оснастки. Кроме того, прототип может использоваться в маркетинговых целях или при определении стоимости изготовления.

Контрольные модели уменьшают затраты на проектирование и подготовку производства за счёт выявления возможных ошибок на ранних стадиях. Также, физические модели проектируемых изделий усиливают связь и взаимопонимание между проектировщиками и заказчиками, сокращая время выхода продукта на рынок.

Традиционный способ получения физических моделей будущих изделий - изготовление их из легко обрабатываемых материалов вручную или на обычных обрабатывающих станках. На изготовление модели затрачивается от нескольких недель до нескольких месяцев, что приводит к повышению затрат на разработку нового изделия и задержке сроков выпуска новой продукции.

Быстрое прототипирование (Rapid Prototyping)

Быстрое прототипирование (Rapid Prototyping - RP) - это новые технологии, активно развивающиеся в проектной и производственной индустрии. Предоставляют возможность получать физические детали и модели без инструментального их изготовления, путём преобразования данных, поступающих из CAD-системы, и получить чертежи и проекты в 3D-представлении, только нажав кнопку.

При завершении работы на CAD-рабочей станции над идеей или проектом, можно дать команду "печать", и в течение нескольких часов или дней, в зависимости от размера, получить физическую модель изделия (рис. 28).

Рис. 28 - Роль и место RP в процессе проектирования



По сравнению с другими методами (изготовление моделей из пенопласта, дерева, воска вручную или на станках с ЧПУ), существовавшими до середины 80-х годов, появление систем быстрого изготовления прототипов было переворотом в технологии. Вместо того, чтобы ждать физические модели на протяжении нескольких недель, конструкторы могут получать их через несколько дней или часов.

В настоящее время на рынке существуют различные RP-системы, производящие модели по различным технологиям и из различных материалов. Однако, все системы для быстрого прототипирования, имеющиеся на сегодня, работают по схожему, послойному принципу построения физической модели, который заключается в следующем:

1) Считывание трёхмерной геометрии из 3D CAD-систем в формате STL (обычно твёрдотельные модели, или модели с замкнутыми поверхностными контурами). Все CAD-системы твёрдотельного моделирования могут выдавать файлы STL.

2) Разбиение трёхмерной модели на поперечные сечения (слои) с помощью специальной программы, поставляемой с оборудованием или используемой как приложение.

3) Построение сечений детали слой за слоем снизу вверх, до тех пор, пока не будет получен физический прототип модели.

Рис. 29 - Формирование сечений: а) CAD - данные, б) образование сечений, в) одно сечение



Слои располагаются снизу вверх, один над другим, физически связываются между собой. Построение прототипа продолжается до тех пор, пока поступают данные о сечениях CAD-модели.

a) б)

Рис. 30 - Модели объектов: а) CAD - модель; б) STL - файл

Рис. 31 - Получение физических прототипов изделий

На сегодняшний день на рынке существует целый ряд RP машин, значительно отличающихся по стоимости. Наименьшую стоимость имеют 3D-принтеры, используемые при концептуальном дизайне. Стоимость таких систем начинается с $30000. Наиболее дорогие - производственно-ориентированные системы, стоимостью около $800000. Кроме этого, предлагается множество систем для быстрого прототипирования, стоимость которых находится в этих пределах.

RP-системы появились около 1987 года, когда компания 3D Systems выпустила свои стереолитографические машины (Stereo Litographics Apparatus - SLA). Наряду с 3D Systems первенство по продаже оборудования держат компании Stratasys и DTM. Другие значительные участники этой индустрии - Helisys Inc., Sanders Prototypes Inc., Z Corporation и другие.

Основные технологические процессы

Работа некоторых RP-систем основана на фотополимеризации - химическом процессе, при котором жидкая смола (полимер) превращается в твёрдый полимер под воздействия на неё ультрафиолетового излучения или излучения видимой части спектра.

Другие RP-системы работают с использованием тепловых процессов для построения физических моделей. Это технологии, при которых термопластический материал выдавливается из инжекционных головок, образуя слои, последовательность которых образует физическое тело; технологии спекания порошковых материалов под воздействием тепловых процессов; “склеивание” листовых материалов.

Разновидность процессов быстрого изготовления прототипов соответствует числу производителей. Рассмотрим основные технологии быстрого получения прототипов изделий.

Стереолитография (SLA)

Основным рабочим элементом стереолитографии (Stereo Lithography Apparatus - SLA) является ультрафиолетовый лазер, который последовательно “вычерчивает” сечения объекта на поверхности ёмкости со светочувствительной смолой. Схема процесса изображена на рис. 6. Жидкий пластик отвердевает только там, где его касается лазерный луч. Новый слой жидкого пластика распространяется по отвердевшей поверхности и контур следующего слоя вычерчивается лазером. Процесс повторяется автоматически до полного построения детали. Оборудование для процесса стереолитографии и полученные модели изделий приведены на рис.7а, 7б соответственно.

Готовые модели выдерживают нагрев до 100°C без изменений формы и размеров. Шероховатость поверхности без какой-либо обработки не превышает 100 мкм. Отверждённый фотополимер легко полируется. Прочность готовых деталей сравнима с прочностью изделий из отверждённых эпоксидных смол.

Ведущим разработчиком технологии SLA и производителем оборудования является компания 3D Systems, основанная в 1986 году. В настоящее время компания является лидером по продажам и производству на рынке RP - систем-стереолитографов и 3D принтеров.

Рис. 32 - Схема процесса стереолитографии

Рис. 33 - Стереолитография: а) оборудование; б) модели изделий

Штаб квартира 3D Systems находится Valencia, California, США. Имеет филиалы в США, Великобритании, Германии, Франции, Италии, Испании и КНР.

Технология SGC

Технология SGC (Solid Ground Curing) - сложный, многошаговый процесс. С помощью специального тонера на стеклянной пластине создаётся изображение слоя, образующее его “фотомаску” - фотошаблон. Тонкий слой смолы, распределённый по поверхности рабочего стола, и находящийся над ним фотошаблон слоя, выстраиваются под ультрафиолетовой лампой. Лампа включается на несколько секунд, в результате чего отвердевает слой смолы, фотомаска которого использовалась в этот момент. Неотвердевшая смола удаляется, полости заполняются расплавленным воском, который быстро затвердевает.

Построенный слой фрезеруется для получения гладкой поверхности и точной высоты слоя. Далее деталь вновь подвергается воздействию ультрафиолетового излучения для окончательного формирования слоя. Затем процесс повторяется: создаётся фотошаблон для следующего слоя, по рабочему столу распределяется новый слой жидкой смолы, и т.д.

Оборудование для технологии SGC и полученные модели изделий приведены на рис.34 соответственно.

а) б)

Рис. 34 - Технология SGC: а) оборудование; б) модели изделий



Основным провайдером технологии SGC является компания Cubital, выпускающая установки Solider 5600 и Solider 4600. Точность построения - 0.084 мм, скорость построения - 70 и 120 сек/слой, толщина слоя 0.1 - 0.2 мм.

Компания Cubital была основана в 1987. Системы компании установлены в 14 странах мира. Первая SGC - система была установлена в США в 1991 году. На сегодняшний день около 50 крупных фирм США являются пользователями технологии и оборудования от Cubital.

Технология SLS

При SLS-технологии (Selective Laser Sintering - лазерное спекание порошковых материалов) 3D объект создаётся из порошкообразных материалов - пластик, металл, нейлон и керамика - используя процесс спекания при помощи CO2 лазера мощностью 50 Вт. Схема процесса изображена на рис. 9. Лазерный луч, попадая на тонкий слой порошка, спекает порошковые частицы, которые формируют твёрдую массу, по форме соответствующую CAD-модели и определяющую геометрию детали.

Разработчиком технологии и оборудования являлась DTM Corporation. Внастоящее время провайдером технологии SLS и производителем оборудования является 3D Systems. Технологическое оборудование для SLS и полученные модели изделий приведены на рис.10а, 10б соответственно.

Рис. 35 - Схема процесса лазерное спекание порошковых материалов

Рис. 36 - SLS - технология: а) оборудование; б) модели изделий

Технология LOM

LOM-процесс (LOM - Laminated Object Manufacturing - изготовление объектов с использованием ламинирования) также включает в себя лазер, который вырезает контуры сечений по CAD-данным, слой за слоем (рис. 34).

Рис. 37

Рис. 38 - Изготовление объектов с использованием ламинирования

CAD - данные поступают в систему управления LOM - станком, где с помощью специального программного обеспечения создаются поперечные сечения детали. Луч лазера вырезает контур сечения в верхнем слое, а затем разрезает области излишнего материала для последующего удаления. Новый слой соединяется с предыдущим за счет прокатки термоваликом и создается новое поперечное сечение, которое затем также вырезается. После того, как все слои будут изготовлены, избыточный материал удаляется вручную. После этого поверхность детали шлифуется, полируется или окрашивается.

Благодаря использованию недорогих твердых листовых материалов, преимуществом LOM - моделей является надежность, устойчивость к деформациям и предельно эффективная стоимость, не зависящая от геометрической сложности (рис. 36).

Рис. 39 - LOM - модели

Владельцем технологии LOM и производителем оборудования является CubicTechnologies, Inc. (Helisys, Inc.). Штаб-квартира Helisys Inc. находится в Carson, California, USA. CubicTechnologies производит серии установок LOM - Paper, LOM Plastic, LOM Composite, для различных типов расходного материала.

Технология FDM

При FDM-процессе (FDM-Fused Deposition Manufacturing - послойное наложение расплавленной полимерной нити) термопластичный моделирующий материал, диаметр которого составляет 0.07 дюйма (1,78 мм), подаётся через экструзионную (выдавливающую) головку с контролируемой температурой, нагреваясь в ней до полужидкого состояния (рис. 13). Выдавливающая головка наносит материал очень тонкими слоями на неподвижное основание. Головка выдавливает материал с очень высокой точностью. Последующие слои также ложатся на предыдущие, солидифируются (отвердевают), соединяются друг с другом.

Оборудование для технологии SGC и полученные модели изделий приведены на рис.14а, 14б соответственно.

Применяемые в настоящее время материалы включают стандартный ABS-пластик, медицинский ABS-пластик и литьевой воск. Эти термопластичные материалы при нагревании размягчаются и переходят в жидкое состояние.

Рис. 40 - Принцип действия FDM-установки

Рис. 41 - Технология FDM: а) оборудование; б) модели изделий

информация технологический процесс управление

Разработчиком технологии FDM и производителем оборудования является компания Stratasys. Штаб квартира Stratasys находится в Martin Drive, MN, USA.

Технологии и оборудование Stratasys используют следующие компании: DaimlerChrysler, Hewlett-Packard, Mercedes Benz St., General Motors, Ford, NASA, Kodak, Boeing, Hammer, Motorola, Xerox, US Navy, Rowenta, Lockheed Martin и др.



Принтеры твердотельных объектов (3D Printers)

В своём большинстве системы быстрого прототипирования являются громоздкими и дорогостоящими установками. Небольшие компании не могут себе позволить их приобрести. Поэтому они заказывают свои модели на фирмах, специализирующихся на этих технологиях или услугах по прототипированию.

Некоторые крупные компании покупают одну или две RP-установки, которые используются различными службами, что приводит к задержке изготовления моделей. Для многих специалистов, которые занимаются концептуальным проектированием и которым необходимо только взглянуть на деталь и затем продолжить разработку, очень важен фактор быстрого, недорогого и простого получения прототипов проектируемых изделий.

Для той трети рынка RP, которой требуются прототипы для визуальной оценки, начали производиться т.н. “принтеры твердотельных объектов” (Three Dimentional Printer - 3D Printer) - системы, которые строят физические модели движением материала из одной или нескольких струйных головок, подобно обычному принтеру.

Как и традиционные RP-машины, 3D принтеры изготавливают физические модели, основанные на CAD-модели, используя в основном технологии струйного моделирования (воскообразные материалы) и технологии использования для формирования детали порошка, который затвердевает при помощи связывающего вещества на водной основе. Cхема 3D -принтера приведена на рис. 39, .а процесс получения прототипа изделия - на рис. 40.

Рис. 42 - Схема 3D - принтера

Рис. 43 - Процесс получения прототипа с использованием 3D - принтера

Обычно 3D принтеры не дают высокой точности и прочности готового прототипа, однако механических свойств таких прототипов достаточно для визуализации разрабатываемого изделия.

Стоимость таких установок колеблется от 35000, 50000 и до 100000 долларов, тогда как цена традиционных RP-систем начинается с 100000 долларов и доходит до 800000 долларов. Стоимость прототипов, изготовленных на 3D принтерах, составляет от 15 до 35 долларов.

3D принтеры более доступны, так как для их размещения не требуется специальных приспособлений и помещений, они могут размещаться непосредственно в офисе, у рабочего места конструктора. Кроме этого, 3D принтеры не используют вредные материалы или процессы.

Средняя область построения для 3D принтеров составляет куб со сторонами 203 мм. Рассмотрим 3D-принтеры от Stratasys, ZCorporation и Objet Geometries.

Принтер Genisys (Stratasys)

Этот концептуальный моделер изготавливает относитель-но прочные детали, используя разновидность технологии FDM (Fused Deposition Modelling), традиционно используемой системами Stratasys. Этот процесс включает в себя нагревание термопластического материала до температуры плавления и его выдавливание для формирования детали. Толщина каждого слоя составляет 0.014 дюйма (0.36 мм). Genisys предоставляет возможность расположения нескольких деталей одна в другой или одновременное размещение нескольких деталей в рабочей области. Это удобно при изготовлении нескольких вариантов детали в одно и тоже время.

Размер формируемой детали: 305х203х203 мм. Скорость изготовления: 101 мм/сек. Программное обеспечение - AutoGen - соответствующим образом позиционирует 3D модель, послойно её разбивает, формирует поддержку (при необходимости) и начинает изготовление простой операцией “point and click” - “укажи и щёлкни мышью”. Точность изготовления 0.356 мм. Машина стоит в США около 55000 долларов.

Принтер Z 402 (ZCorporation)

В этом процессе машина распределяет слой порошка по поверхности рабочей ёмкости. В качестве строительного материала используется специальный крахмально-целлюлозный порошок. Жидкий клей на водяной основе, поступая из 128-струйной головки, связывает частицы порошка, формируя контур одного сечения модели. Затем рабочая ёмкость опускается на толщину одного слоя; по всему объёму ёмкости, в том числе и по предыдущему слою, распределяется новый слой порошка, инжекционная головка очерчивает контур следующего сечения, и т.д. После окончания построения излишки порошка удаляются. Для увеличения прочности модели имеющиеся пустоты могут быть заполнены жидким воском.

Скорость является основным отличием этого концептуального моделера. Он изготавливает модели по крайней мере в 10 раз быстрее, чем самые быстрые конкурирующие системы. Деталь может быть изготовлена в период времени от нескольких минут до нескольких часов. “Строительный” объём принтера Z402: 8"x10"x8" (203x254x203 мм); вес: 136 кг.

Так как принтер имеет небольшие габариты и вес, а также не использует в работе вредных материалов, то он может быть установлен непосредственно на рабочем месте конструктора, как и обычный принтер, и при необходимости может быть быстро доставлен в любое место.

Z402 принтер был разработан и запатентован в Массачусетском Технологическом Институте, и лицензирован Z Corporation в 1994.

В настоящее время Z Corporation развивает технологию и выпускает серию серию систем для печати прототипов по CAD-данным - это новые 3D принтеры ZPrinter 310 System, Z406 System и Z810 System - с возможностью цветной печати 3D прототипов. Прототипы, полученные на данных моделях принтеров педставлены на рис. 20б, 21б и 22б соответственно.

Характеристики принтера ZPrinter 310 System:

- объём камеры - 8” x 10” x 8” (203 x 254 x 203 mm);

- толщина слоя - .003”-.010” (.076-.254 mm);

- стоимость - €31800.

Характеристики принтера Z406 System:

- скорость печати: в цветном режиме - 2 слоя в минуту, в монохромном режиме - 6 слоёв минуту;

- цвет - RGB Full Color (Millions of Colors);

- объём камеры - 8" x 10" x 8" (203 x 254 x 203 mm);

- толщина слоя - 0.003"-0.010"(.076-.254 mm).

Характеристики системы Z810 System:

- объём камеры - 20" x 24" x 16" (500 x 600 x 400 mm);

- толщина слоя - 0.003"-0.010"(.076-.254 mm).

Компании, использующие принтеры от Z Corporation: Ford, Benteler, F1 Racing, Porsche, Lockheed Martin, Mitre, Adidas, Nike, Black & Decker, Robert Bosch и другие. Образовательные учреждения: Harvard University, University of Hong Kong, Springfield High School, MIT, University of Kentucky.

Штаб квартира Z Corporation расположена в городе Саммервилль, Массачусетс, США. За 1999 была запланирована продажа 100 машин, было продано 167. Z Corporation имеет дистрибьюторов в Великобритании, Франции, Германии, Японии, Гонконге, Корее, Австралии и Сингапуре.

Принтер Objet Quadra (Objet Geometries)

Семейство установок послойного синтеза пополнилось принципиально новым струйным 3D-принтером фирмы Objet Geometries Ltd (Израиль). Этот прибор при сравнительной простоте и дешевизне обеспечивает изготовление прототипов, сравнимых по качеству со стереолитографическими моделями.

Установка Objet Quadra менее требовательна к рабочему помещению и квалификации обслуживающего персонала.

Как и в стерелитографии, модель выращивается из специального светоотверждаемого пластика, но засветка производится ультрафиолетовыми лампами, а "поддержки" формируются из материала, отличного от основного, чем обеспечивается легкость их удаления.

Установка подключается в локальную сеть, по которой в нее передаются данные из CAD-программы.

Принцип действия принтера Objet Quadra изображен на рис. 23 и заключается в следующем: тело физической модели печатается по компьютерной 3D-модели послойно специальной струйной головкой, содержащей 1536 сопел, при этом тело модели печатается основным материалом, а вспомогательные элементы ("поддержки") - другим, менее прочным и более рыхлым. Оба материала отверждаются ультрафиолетовыми лампами.

После печати каждого слоя рабочий стол, на котором выращивается модель, опускается на толщину слоя. В завершение процесса вспомогательные элементы вымываются струей воды.

3D-принтеры фирмы Objet Geometries представлены на рис. 45, а получаемые прототипы изделий на рис. 46.

Рис. 44 - Принцип действия принтера Objet Quadra

Рис. 45 - 3D-принтеры фирмы Objet Geometries

Рис. 46 - Прототипы изделий, полученные на Objet Quadra

Практическое применение прототипов

1) Визуализация. Технологии быстрого получения прототипов изделий предоставляет инженерам и дизайнерам свободу творчества при создании дешевых трехмерных моделей. При желании можно провести чистовую обработку поверхности прототипа, чтобы заказчики и персонал имели возможность оценить эстетические свойства продукта.

2) Форма, сборка и функциональность изделий. Прототипы, построенные по технологиям, обеспечивающим достаточную прочность моделей (LOM, FDM, SLA), удобны в прикладных задачах, требующих оценки формы деталей и проверки сборки изделий, так как все изменения можно внести в CAD чертежи до начала производства.

3) Литье по выжигаемым моделям. Прототипы могут выступать в качестве разовых моделей для точного литья, если они изготовлены из материалов, выгорающих под действием высоких температур (LOM, Z Corporation}. Так как такие объекты не расширяются и не трескаются при обжиге, возможно использование традиционных методов литья, при которых модели выгорают при заполнении формы расплавленным металлом.

4) Вакуумное литье пластмасс. Прочность и жесткость прототипов делает их удобными для вакуумного литья тонких пластмассовых компаундов при малых и средних объёмах производства. Прочность моделей, полученных по технологиям LOM, SLA, FDM, SLS позволяет им выдерживать высокие напряжения.

5) Изготовление пресс-форм. Прототипы, имеющие достаточную прочность, используется для быстрого изготовления пресс-форм для литья по выплавляемым моделям из парафиново-стеариновых составов при малых и средних объемах производства. Для улучшения качества отливок и увеличения ресурса пресс-форм, на рабочие поверхности можно нанести металлическое покрытие.

6) Отливка гипсовых форм. Геометрическая стабильность LOM, SLA и других моделей, и свойственная им точность, делают возможным их использование для литья гипсовых форм.

7) Пресс-формы из силиконового каучука. Прототипы часто используются при литье из силиконового каучука для получения полиуретановых или эпоксидных отливок.

Критерии оценки RP-систем

Сравнение RP-процессов можно произвести по следующим критериям:

1) Размер детали. Габариты детали, которую может построить система прототипирования, ограничена размерами “строительной камеры”. В зависимости от машины, размеры моделей распределяются от 8х8х8 дюймов до 32х22х20 дюймов. Однако, большие детали могут быть изготовлены по частям и затем собраны в одну деталь.

2) Скорость. Скорость построения модели зависит от таких факторов, как: размер детали; геометрическая сложность; используемые материалы; программное обеспечение и др.

3) Материалы. На рынке предлагается целый спектр материалов для прототипов, различающихся по степени прочности и качеству образуемой поверхности. В зависимости от процесса, в прототипировании используются следующие основные материалы; полистирол, термопластик, бумага, акрил, поликарбонат, нейлон, ABS, синтетические смолы и др.

4) Точность. Точность прототипа (степень соответствия CAD-модели) зависит определяется факторами:

- правильность CAD-файлов;

- разрешение (толщина слоёв);

-свойства материала.

Смолы, например, имеют свойство коробиться или усаживаться при высыхании. Другие материалы не обеспечивают достаточное качество поверхности модели для дальнейшего её использования (при изготовлении литьевых форм); или не достаточную прочность.

5)Стоимость. Разработчики RP-систем в последнее время ориентируются на выпуск недорогих и быстродействующих машин, снижая стоимость и увеличивая объём рабочей камеры.

Таким образом, новые технологии изготовления прототипов позволяют значительно сократить сроки изготовления моделей для визуализации, подгонки, изготовления оснастки и других применений, что обеспечивает:

- сокращение цикла разработки;

- улучшение дизайна;

- повышение качества;

- уменьшение цены продукта и производства;

- ускорение внесения изменений в конструкцию.

Быстрое изготовление прототипов стало важнейшей частью CAD/CAM - процесса. RP-технологии позволяют пользователям за короткое время проверить данные CAD-систем. Увеличивающееся использование твёрдотельного моделирования обеспечивает распространение технологий быстрого получения прототипов. Повышается качество материалов и точность прототипов. Всё это говорит о том, что технологии и системы быстрого прототипирования будут занимать всё большее место в автоматизированном проектировании. В недалёком будущем RP-системы будут доступны любому пользователю и станут привычным инструментом конструктора, повышая качество проектирования и сокращая время выпуска новой продукции.



ИТ автоматизированного проектирования

Создание САПР продуктов происходит в следующих направлениях:

универсальный графический пакет плоского черчения, объемного моделирования, фотореалистичной визуализации.

открытая графическая среда для создания приложений.

графический редактор и графическая среда приложений.

открытая среда конструкторского проектирования.

САПР для непрофессионалов.

Требования к САПР в области проектирования радиоэлектронной аппаратуры: наличие справочной БД, и ГОСТов; решение всего комплекса задач проектирования РЭАП; библиотеки элементов и узлов; источники сигналов и шумов с большим набором параметров; проведение необходимых расчетов; возможность экспорта\импорта информации из других расчетных систем.

САПР условно подразделяют на три группы:

Уровня ячеек, обеспечивающий ввод схемы, разводку и производства печатной платы.

Схемотехнический САПР, обеспечивающий ввод схемы и ее моделирование.

САПР конструкторский, обеспечивающий разработку и выпуск конструкторской документации.

ИТ поддержки жизненного цикла изделия

CALS-технологии как основа современного производства

Современная промышленность все больше переходит на выпуск продукции индивидуально под конкретную группу потребителей. Стремление к индивидуальному удовлетворению конкретного клиента требует производств, имеющих гибкую структуру бизнес-процессов, что вызывает к жизни новые подходы, концепции и методологии. Одна из таких концепций, CALS (Continuous Acquisition and Life cycle Support), превратилась сегодня в целое направление информационных технологий.

Жизненный цикл изделия - совокупность этапов или последовательность бизнес-процессов, через которые проходит это изделие за время своего существования: маркетинговые исследования, составление технического задания, проектирование, технологическая подготовка производства, изготовление, поставка, эксплуатация, утилизация. Идеология CALS состоит в отображении реальных бизнес-процессов на виртуальную информационную среду, где эти процессы реализуются в виде компьютерных систем, а информация существует только в электронном виде.

Основные термины, структура КСПИ

Необходимо, прежде всего, ввести русскоязычный термин, адекватно отражающий суть подхода CALS - Компьютерное Сопровождение Процессов жизненного цикла Изделий (КСПИ). Можно выделить три основных аспекта данной концепции:

- компьютерная автоматизация, повышающая производительность основных процессов и операций создания информации;

- информационная интеграция процессов, т.е. совместное и многократное использование одних и тех же данных. Интеграция достигается минимизацией числа и сложности вспомогательных процессов и операций поиска, преобразования и передачи информации. Один из инструментов интеграции - стандартизация способов и технологий представления данных, благодаря которой результаты предшествующего процесса могут быть использованы в последующих процессах с минимальными преобразованиями;

- переход к безбумажной модели организации бизнес-процессов, многократно ускоряющей доставку документов, обеспечивающей параллелизм обсуждения, контроля и утверждения результатов работы, сокращающей длительность бизнес-процессов. В этом случае ключевое значение приобретает электронно-цифровая подпись (ЭЦП).

Применение технологий КСПИ возможно, если выполнены следующие условия:

- наличие современной инфраструктуры передачи данных;

- введение понятия электронного документа, как полноценного объекта производственно-хозяйственной деятельности и обеспечение его легитимности;

- наличие средств и технологий ЭЦП и защиты данных;

- реформирование бизнес-процессов с учетом новых возможностей информационных технологий;

- создание системы стандартов, дополняющих или заменяющих традиционные ЕСКД, ЕСТД, ЕСПЛ, СРПП и т.п.;

- наличие на рынке программных средств и компьютерных систем, соответствующих требованиям стандартов.

В составе КСПИ можно выделить два крупных блока (рис.1):

- компьютеризированное интегрированное производство и система логистической поддержки изделия.

К первому относятся:

- системы автоматизированного проектирования (САПР-К или CAD), инженерного анализа и расчетов (СИАР или CAE) и технологической подготовки производства (САПР-Т или CAM);

- системы автоматизированной разработки эксплуатационной документации (Electronic Technical Publication Development - ETPD);

- системы управления данными об изделиях (Product Data Management - PDM);

- системы управления проектами и программами (Project Management - РМ);

- автоматизированные системы управления производственно-хозяйственной деятельности предприятия (АСУП).

Система интегрированной логистической поддержки (ИЛП) изделия, предназначенная для информационного сопровождения бизнес-процессов на постпроизводственных стадиях жизненного цикла - относительно новый элемент производственной и управленческой структуры для предприятий России. ИЛП представляет собой совокупность процессов, организационно-технических мероприятий и регламентов, осуществляемых на всех стадиях жизненного цикла изделия от его разработки до утилизации. Цель внедрения ИЛП - сокращение «затрат на владение изделием», которые для сложного наукоемкого изделия равны или превышают затраты на его закупку.

Типовой перечень задач ИЛП включает в себя [3]:

- логистический анализ на стадии проектирования (Logistics Support Analysis), предусматривающий определение требований к готовности изделия; определение затрат и ресурсов, необходимых для поддержания изделия в нужном состоянии; создание баз данных для отслеживания перечисленных параметров в ходе жизненного цикла изделия;

- создание электронной технической документации для закупки, поставки, ввода в действие, эксплуатации, обслуживания и ремонта изделия;

- создание и ведение «электронных досье» на эксплуатируемые изделия, с целью накопления и использования фактических данных для оперативного определения реального объема работ по обслуживанию и потребности в материальных ресурсах;

- применение стандартизованных процессов поставки изделий и средств материально-технического обеспечения, создание компьютерных систем информационной поддержки этих процессов (Integrated Supply Support Procedures);

- применение стандартизованных решений по кодификации изделий и предметов снабжения (Codification). В условиях России эта задача имеет более широкий смысл и трактуется как задача каталогизации - создание федерального реестра предметов снабжения, поставляемых для государственных нужд. Цель создания реестра - оптимизация госзаказа, в том числе исключение дублирования производства функционально и конструктивно эквивалентных предметов снабжения. В ходе каталогизации получают коды, используемые для их идентификации в процессах материально-технического снабжения; - создание и применение компьютерных систем планирования потребностей в средствах материально-технического обеспечения, формирования заявок (Order Administration) и управления контрактами (Invoicing) на поставку средств материально-технического обеспечения.

Рис. 47 - Структура КСПИ

Виртуальное предприятие

Развитие КСПИ и обусловило появление новой организационной формы выполнения масштабных наукоемких проектов, связанных с разработкой, производством и эксплуатацией сложной продукции - так называемого «виртуального предприятия». Виртуальное предприятие создается посредством объединения на контрактной основе предприятий и организаций, участвующих в жизненном цикле продукции и связанных общими бизнес-процессами. Информационное взаимодействие участников виртуального предприятия осуществляется на основе общих хранилищ данных через общую корпоративную или глобальную сеть. Срок жизни виртуального предприятия определяется длительностью проекта или жизненного цикла продукции. Задача информационного взаимодействия особенно актуальна для временно создаваемых виртуальных предприятий, состоящих из географически удаленных друг от друга подрядчиков, субподрядчиков, поставщиков с разнородными компьютерными платформами и программными решениями.

Создание виртуальных предприятий требует проработки общей схемы совместного функционирования и взаимодействия составных частей. Это выводит на первый план вопросы проектирования, анализа и, при необходимости, реинжиниринга внутренних и совместных бизнес-процессов, юридического взаимодействия и интеллектуальной собственности.

Информацию, используемую в ходе жизненного цикла, можно условно разделить на три класса: о продукции, о выполняемых процессах и о среде, в которой эти процессы выполняются. На каждой стадии создается набор данных, который используется на последующих стадиях. При наличии бумажной копии документа его подпись не вызывает

никаких проблем, но в данном случае, когда сообщение идет полностью с помощью компьютера, появляется еще одна проблема - как заверять все необходимые документы. То есть практическая организация безбумажных бизнес-процессов возможна только при обеспечении легитимности электронного документа, заверенного ЭЦП. Техническим комитетом 431 «CALS-технологии» Госстандарта РФ в настоящее время разрабатывается проект соответствующего ГОСТа, в кагором электронный технический документ трактуется как «оформленная надлежащим образом в установленном порядке и зафиксированная на машинном носителе техническая информация, которая может быть представлена в форме, пригодной для ее восприятия человеком». Электронный технический документ логически состоит из двух частей: содержательной и реквизитной. Первая представляет собой собственно информацию, а вторая содержит аутентификационные и идентификационные данные электронного технического документа, в том числе набор обязательных атрибутов, одну или несколько электронно-цифровых подписей (рис.45).

Рис. 48 - Структура электронного технического документа

ЭЦП представляет собой набор знаков, генерируемый по алгоритму, определенному ГОСТ Р 34.0-94 [4] и ГОСТ Р 34.-94. ЭЦП является функцией от содержимого, подписываемого электронного технического документа и секретного ключа. Секретный ключ (код) имеется у каждого субъекта, имеющего право подписи и может храниться на дискете или смарт-карте. Второй ключ (открытый) используется получателями документа для проверки подлинности ЭЦП. При помощи ЭЦП можно подписывать отдельные файлы или фрагменты баз данных. В последнем случае программное обеспечение, реализующее ЭЦП, должно встраиваться в прикладные автоматизированные системы.

Примером базового средства, реализующего основные функции ЭЦП, является система «Верба», сертифицированная ФАПСИ.

Стандарты

Данные об изделии занимают значительную часть общего объема информации, используемой в ходе жизненного цикла. На их основе решаются задачи производства, материально-технического снабжения, сбыта, эксплуатации, ремонта и др. Информационная интеграция этих процессов и совместное использование данных обеспечиваются применением соответствующих стандартов. Представление конструкторско-технологических данных об изделии регламентируется стандартами серии ISO 10303 и ISO 13584 [1]. В 1999-2000 годах Госстандартом РФ выпущена серия ГОСТ Р ИСО 10303, представляющая собой аутентичный перевод некоторых стандартов ISO 10303 [1], который поддерживается большинством современных зарубежных и отечественных систем CAD/САМ и PDM.

В соответствии с ISO 10303 электронная конструкторская модель изделия включает ряд компонентов:

1) Геометрические данные (твердотельные поверхности с топологией, фасеточные поверхности, сетчатые поверхности с топологией и без топологии, чертежи и т.п.).

2) Информация о конфигурации изделия и административные данные (идентификаторы страны, отрасли, предприятия, проекта, классификационные признаки и т.п., данные о вариантах состава и структуры изделия; данные об изменениях конструкции и информацию о документировании этих изменений; данные для контроля различных аспектов проекта или решения вопросов, связанных с особенностями и вариантами состава и конфигурации изделия; данные о контрактах, в соответствии с которыми ведется проектирование; сведения о секретности; условия обработки, в том числе финишной, данные о применяемости материалов, указанные проектировщиком для данного изделия; данные для контроля и учета выпущенной версии разработки; идентификаторы поставщиков и их квалификации).

3) Инженерные данные в неструктурированной форме, подготовленные с помощью различных программных систем в различных форматах.

Некоторые части стандарта ISO 10303 используются в качестве готовой модели данных для системы PDM (например, ISO 10303-203), а другие описывают конкретную технологию представления данных для информационного обмена между предприятиями (ISO 10303-21).

Для представления информации, необходимой при эксплуатации и техническом обслуживании изделия, используются технологии, регламентируемые стандартами ISO 8879 (Standard Generalized Markup Language), ISO 10744 (HyTime), а также спецификациями ассоциаций производителей аэрокосмической техники AECMA-1000D и АЕСМА-2000М (www. aecma.org).

В соответствие с требованиями стандартов эксплуатационная и ремонтная документация создается в форме интерактивных электронных технических руководств, интегрирующих данные и программные средства поддержки обслуживания, планирования потребностей в материальных ресурсах, контроля и диагностики, накопления данных о ходе эксплуатации.

Экспорт промышленного бизнеса

Для владельцев бизнес инициативы - обладателей интеллектуальной собственности на производство с применением данной торговой марки, продаваемым товаром стала не только сама продукция, но и право на ее производство, как правило, ограниченное сроками или объемом выпуска. Оно подразумевает возможность экспорта лицензионного производства на удаленные территории, где имеются для этого благоприятные экономические условия.

Раньше было достаточно снабдить удаленное предприятие оборудованием, инструкциями и ресурсами, но сегодня возникла необходимость не просто копировать продукт, а поддерживать еще ряд его модификаций, оптимизированных под местный рынок. Разработка, подготовка производства, изготовление и поддержка адаптированного продукта все более возлагаются на региональное предприятие. Чтобы полноценно обеспечить его такой возможностью, хозяин торговой марки должен «экспортировать» самодостаточную модель бизнес процесса, со всеми его составляющими, только в уменьшенном масштабе. Для этого сами бизнес процессы должны быть хорошо формализованы и масштабируемы. В таком виде они представляют собой более дорогой вил интеллектуальной собственности, потому что для этого должна быть лучше развита среда его существования - информационные технологии. Это серьезный вызов для разработчиков информационных технологий.

Средства описания и анализа

Внедрение технологий КСПИ и создание интегрированной информационной системы на промышленном предприятии и, тем более, в условиях виртуального предприятия связано с глубокими исследованиями разнообразных бизнес-процессов, составляющих жизненный цикл изделия, что требует специальных средств их описания и анализа. Для этого применяется методология моделирования IDEF [7], позволяющая исследовать структуру, параметры и характеристики процессов в производственно-технических и организационно-экономических системах. Общая методология IDEF состоит из частных методологий, основанных на графическом представлении систем:

IDEF0 для создания функциональной модели, отображающей процессы и функции системы, а также потоки информации и материальных объектов, преобразуемые этими функциями;

IDEF1 для построения информационной модели, отображающей структуру и содержание информационных потоков, необходимых для поддержки функций системы.

Обе методологии получили в США статус федеральных стандартов, а сегодня ведется работа по их стандартизации и в России [6].

Основу методологии IDEF0 составляет графический язык описания (моделирования) процессов. Базовыми элементами языка являются блоки, изображающие функции (операции, действия) в составе моделируемых процессов, и стрелки, изображающие информационные и материальные связи между блоками. С помощью блоков и стрелок составляются диаграммы, описывающие процессы, операции и действия. Каждый блок на любой диаграмме может быть подвергнут декомпозиции с целью более подробного раскрытия его содержания. Результатом декомпозиции является новая, дочерняя, диаграмма. Множество всех диаграмм образует собственно функциональную модель.

Функциональная модель может иметь любую необходимую глубину декомпозиции, вплоть до описания действий, выполняемых отдельными специалистами на конкретных рабочих местах, с указанием условий выполнения и перечня используемых ресурсов.

Описания бизнес-процессов в форме функциональных моделей имеют ряд преимуществ.

Модель является своеобразной «программой управления» персоналом, поскольку определяет, кто, при каких условиях и с использованием каких ресурсов выполняет те или иные функции.

Модель определяет материальные потоки и документооборот и позволяет установить регламенты обмена результатами различных процессов.

Модель служит методической основой для настройки прикладных программных систем.

Модель является удобным средством анализа, пригодным для поиска путей совершенствования организации и управления процессами.

Кроме данных, относящихся к изделиям и бизнес-процессам, в интегрированной информационной системе должна содержаться информация о производственной и управленческой структуре, технологическом и вспомогательном оборудовании, персонале, финансах и т.д. Номенклатура этих данных хорошо известна специалистам, создающим и эксплуатирующим АСУП. С позиций методического единства можно считать, что в рамках концепции КСПИ эти данные должны быть организованы и управляемы средствами, аналогичными системам PDM.

Преимущества, обеспечиваемые применением КСПИ

Применение концепции КСПИ в процессах разработки, производства и эксплуатации продукции обеспечивает:

расширение области деятельности предприятий путем кооперации с другими предприятиями. Эффективность взаимодействия достигается стандартизацией способов представления информации на разных стадиях и этапах жизненного цикла и возможности ее последующего использования. Современные ИТ позволяют строить производственную кооперацию в форме «виртуальных предприятий». Становится возможной кооперация не только посредством поставки готовых компонентов, но и посредством выполнения отдельных этапов и задач в процессах проектирования, производства и эксплуатации;

повышение эффективности деятельности предприятий за счет использования информации, подготовленной партнерами; сокращения затрат на документооборот; преемственности результатов работы в комплексных проектах и возможности изменения состава участников без потери уже достигнутых результатов;

повышение «прозрачности» и «управляемости» бизнес-процессов, их анализа и реинжиниринга на основе функциональных моделей;

гарантию качества продукции.

Контрольные вопросы по теме «Прикладные информационные технологии»

1. Какие информационные технологии используются в корпоративном управлении?

2. Какие экономико-математические модели используются в корпоративном управлении?

3. В чем идея виртуального бизнеса?

4. На каких принципах основана архитектура «клиент-сервер»?

5. На каких принципах основана архитектура Интранета?

6. Какие открытые стандарты используются в архитектуре Интранета?

7. Определите классы задач, решаемых с помощью корпоративных информационных систем.

8. Какие существуют типы корпоративных информационных систем?

9. Сформулируйте основные направления информатизации банковской деятельности.

10. Какие программные системы используются в информатизации финансовой деятельности?

11. Назовите принципы информатизации управления технологическими процессами.

12. Что представляет собой модульная архитектура контроллеров?

13. Определите основополагающие аспекты информатизации образования.

14. Определите факторы, влияющие на эффективность использования информационных ресурсов в образовательном процессе.

15. Сформулируйте отрицательные последствия использования информационных технологий в образовании.

16. Назовите дидактические требования при использовании компьютерных технологий в образовании.

17. Каковы отрицательные и положительные качества использования информационных технологий в образовании?

18. Каковы основные направления использования информационных технологий в образовании?

19. Перечислите типы компьютерных обучающих программ, используемых в учебном процессе.

20. Сформулируйте основные направления создания САПР-продуктов.

21. Каковы основные особенности AutoCAD 2000?

22. Укажите основные требования, предъявляемые к САПР в области проектирования радиоэлектронной аппаратуры.

23. Что понимают под открытой средой в САПР-технологиях?

24. В каких случаях используется система DiaCAD?



Литература

1. Компьютеризированные интегрированные производства и CALS-технологии в машиностроении. Под ред. д.т.н., проф. Б.И. Черпакова. ГУП «ВИМИ», М., 1999, 512 c.

2. NATO CALS Handbook, 2000.

3. DEF-STAN-0060. Integrated Logistic Support, 1999.

4. ГОСТ Р 34.10-94 Информационная технология. Криптографическая защита информации. Процедуры выработки и проверки электронной цифровой подписи на базе асимметричного криптографического алгоритма.

5. ГОСТ Р 34.11-94 Информационная технология. Криптографическая защита информации. Функция хэширования.

6. Методология функционального моделирования. Рекомендации по стандартизации (Проект). М.: Госстандарт РФ. 2001.

7. Александр Громов, Мария Каменнова, Александр Старыгин. Управление бизнес-процессами на основе технологии Workflow. «Открытые системы», 1997, №1.

Размещено на Allbest.ru

...