От светлого к темному (цеху)

«Темный цех» (безлюдное производство) – набор оборудования (гибких производственных линий/ячеек (ГПЯ)) и программно-аппаратных комплексов (ПАК), работающих полностью в автоматическом режиме без постоянного присутствия людей.

С основной задачей – повысить эффективность производства. За счет:

-       сведения к минимуму/исключению человеческого фактора;

-       бесперебойного функционирования 24/7 с максимумом утилизации при заданном плане линий/обрабатывающих центров.

В рамках как мировых, так и «Райтстеп» концепций построения Производственных Систем, «Темный цех» является ультимативной целью, классикой автоматизации и (отказоустойчивой и гибкой) автономизации производства, и логически состоит из следующих частей:

-       ИТ-система многоуровневого планирования и управления/учета исполнения, с обратной связью,

-       система исполнения.

ИТ-система многоуровневого планирования и управления/учета исполнения, с обратной связью

1.    ИТ-система многоуровневого Планирования, с обратной связью между уровнями планов.

  a.    Синхронизированное (среднесрочное, межцеховое/межучастковое) планирование (уровень MRP, в MRP-II концепции), реализуемое через транзакционные функции и объекты ИТ-системы ERP, с «движком» планирования Advanced Planning; полуавтоматическое.

b.    Операционное (краткосрочное, внутрицеховое) планирование (уровень SFC), реализуемое через функции и объекты ERP-системы и/или MES-системы, с «движком» планирования Advanced Scheduling; полуавтоматическое, в стремлении к автоматическому.

2.    ИТ-система управления и учета Исполнения, генерирующая сигналы на старт исполнения и обеспечивающая обратную связь для системы планирования выше, как правило, часть ERP-системы или учетные функции MES-системы.

Комментарии

1.     В зависимости от конкретных ИТ-систем предприятия, данный цифровой контур может быть представлен как единой «Производственной ERP» (СПМ закрывает контур планирования целиком и «бесшовно»), так и «Учетной ERP» c интеграцией APS- и MES-системами.

2.    Основные задачи системы Планирования и управления Исполнением:

1)   синхронизированное планирование внутренней (и внешней) производственно-логистической цепочки (по крайней мере, до «вход/выход Темного цеха») с распределением мощностей (ресурсов), запасов по всей Цепочке Поставки (ЦП, внутренней и внешней производственно-логистической цепочки),

2)   анализ готовности к запуску и запуск – создание Объектов Исполнения (Заказов Поставщикам, Заказов на Перемещение, Заказов кооператорам; Производственные Задания (Заказы) разного вида, в зависимости от индустрии и модели производства – как партии/штуки ДСЕ, так и тактовые графики или кампании), создание Заявок на (поставку) материальные ресурсы «внешним» цехам (если Темный цех - часть большого производства),

3)   (продвинутое) планирование (диспетчирование, графикование) Объектов Исполнения, с учетом доступности и возможности производственных и материальных ресурсов,

4)   передача сигналов на Систему Исполнения;

5)   (пере) планирование, на основании действий с запасами, субъектами и объектами производства, подтверждающими/отказ-сигналами от Системы Исполнения.

Все составляющие

Целевая конфигурация составляющих Системы планирования и управления исполнением следующая.

PLM (Product Lifecycle Management) - ведение конструкторского и технологического составов, хранение 3D-моделей и управляющих программ для станков с ЧПУ.

ERP (Enterprise Resource Planning) - управление спросом, многоуровневое планирование, управление закупками, запасами, расчетом себестоимости и пр. Включая (или в интеграции с):

a.    APS (Advanced Planning and Scheduling) - синхронизированное непрерывное позаказное, по группам ресурсов (группам оборудования, бригадам, участкам, …) и материальным ресурсам планирование (в т.ч. с учетом ограничений); с расчетом плана запуска (заказов на исполнение).

b.    MES, включая /или в интеграции с:

                     i.        APS (Advanced Planning and Scheduling): построение очередей выполнения операций на ресурсах, с учетом их ограничений; с учетом синхронизации «операций» вспомогательных автоматизированных процессов: работы тележек, роботов и пр. обеспечивающих систем.

                    ii.        WMS (Warehouse Management System) - отслеживание и учет складских запасов, в т.ч. адресно, в т.ч. с учетом параметров (партий и серийных номеров позиций) запасов.

                  iii.        TDM (Tool Data Management) - хранение информации о наличии и оставшемся ресурсе (учет стойкости и выработки) требуемого инструмента и пр. приспособлений.

                  iv.        TMS (Transportation Management System) - автоматизация, планирование и контроль транспортной (микро-) логистики на предприятии.

c.    ТОиР (Техобслуживание и ремонты, EAM), в части управления доступностью (графика работы) ресурсов.

 Система исполнения

Представляет собой собственно ПАК и ГПЯ, в том числе роботизированные. Состоит из:

a)    автоматизированных складов (AS/RS),

b)    транспортных тележек (AGV/AMR),

c)    роботов-манипуляторов,

d)    ГПЯ (линии/ОЦ/CNC станки),

e)    устройств контроля качества (внешних - отдельно стоящая КИМ или непосредственно участвующих в процессе обработки с использованием щупов и/или машинного зрения).

Система автоматическая, с ручными действиями оператора, где необходимо; интегрированная с системой учета исполнения. Отвечает:

a)    за перемещение/хранение заготовок, оснастки (в том числе собранных для линии паллет с заготовками), и инструмента,

b)    за перемещение/хранение готовых изделий и продукции.

Все составляющие (ИТ-системы)

Целевая конфигурация.

1.    AGV / AMR (управление мобильными транспортными тележками) - перевозки заготовок, готовой продукции, отходов, оснастки между складами и ресурсами.

2.    RC (Robot Controller) - исполнение команд на установку заготовки, переворот/снятие детали и пр. простые движения в рабочей зоне.

3.    QC (Quality Control) - проверка геометрических размеров обработанной детали на соответствие требованиям.

4.    MDC (Machine Data Collection) - сбор фактических данных со стойки ЧПУ и внешних датчиков: состояние ресурса, текущий статус работы оборудования, съем и обработка показателей нагрузки и вибраций при работе и многое другое.

Приведенная выше целевая архитектура Темного цеха представлена на рисунке 1 (стандарт ISA-95). Также указан вариант использования ПО «СПМ». ПАКи (IIoT, PLC и пр.) – не указаны.

Управление базовыми данными

Концепция управления мастер-данными (система-источник –> система-приемник) для Темного цеха представлена ниже (Рисунок 2).

Очевидно, что в случае использования единой системы, интеграция систем значительно упрощается. В случае разрозненных ИТ-систем должны быть соблюдены следующие ключевые принципы:

1)  только одна система может быть мастер-источником информации;

2)  100% мастер-данных передаются интеграцией без ручной корректировки.

Общий алгоритм планирования/исполнения в разрезе логических частей Темного цеха и составляющих ИТ-систем

Планирование и подготовка к исполнению

Указанные на рисунке 3 процессы в ИТ системе(-ах) Управляющего контура взаимодействуют с Системами и механизмами Исполнительного контура через следующий набор Управляющих сигналов и Сигналов Обратной связи (Таблица 1).

В качестве обратной связи управляющий контур также получает необходимый набор параметров для принятия решений для последующего планирования. Один из примеров таких параметров – учет расхода инструмента/оснастки (Рисунок 4).

Исполнение поступающих Производственных Заданий (Заказов)

Поступающий на вход темного цеха поток Производственных Заказов автоматически планируется (графикуется) через распределение технологических операций на требуемых ресурсах исполнения (линии, ОЦ/CNC), с резервированием необходимых для исполнения (связанных) ресурсов, среди которых может быть: оснастка, инструмент, фотошаблоны (если применимо), …, места/ячейки перед исполнительными ресурсами. В зависимости от модели производства, операции могут распределяться с учетом сложных правил. Как пример:

1)   одновременное выполнение нескольких операций разных ПЗ (гальваника, термичка, плавка, обработка в сборке и др.),

2)   выстраивание последовательности операций (групп операций) с учетом параметров ресурсов и производимых изделий (минимизация переналадок через матрицы переналадок, сокращение времени/стоимости переналадок через матрицы переходов),

3)   выбор конкретного ресурса (ОЦ) из группы, по параметрам ресурса (старый, новый, точный и др.) и/или в связке с параметрами связанных ресурсов (линия-оснастка, станок-инструмент, ОЦ – оператор (нужной квалификации)) и т.п.

4)   учет вероятностного выхода годного после операций,

5)   и т.п.

После графикования и проверки готовности к обработке (ОЦ/Линия свободны, настроены, изделие закреплено в оснастке, установлен шаблон, установлен инструмент и т.п.) ИС управляющего контура (MES) подает Управляющий сигнал автоматам исполнения.

В сигналах ОС типа «отказ» по какому-либо параметру/в случае нештатных ситуаций, система блокирует операцию/очередь операций/ресурс и автоматически перераспределяет оставшиеся работы (операции, части операций, по возможности) на другие ресурсы.

При невозможности - информирует оператора (Рисунок 5).

Аналогично взаимодействию Управляющей и Исполнительной подсистем при подготовке производства, управление непосредственно Исполнением также подразумевает двусторонний обмен сигналами с формализованной реакцией на них. Основные УС и Сигналы ОС представлены в таблице 2.

Интеграция: протоколы обмена данными

ИТ-инфраструктура темного цеха строится по иерархическому принципу в соответствии с ISA-95 (L1–L4). По мере спуска от бизнес-уровня к физическому оборудованию (Рисунок 6) снижаются требования к абстракции данных и возрастают требования к детерминированности, скорости отклика и надежности передачи сигналов в реальном времени.

Обмен данными организуется преимущественно между смежными уровнями управления по следующим ключевым контурам (Таблица 3).

Комментарий

Используя СПМ в предложенном на рисунке 1 контуре, количество интеграционных потоков между взаимосвязанными системами кратно сокращается. При этом, обладая развитыми и развиваемыми возможностями подключения (как минимум Kafka, RabbitMQ / REST API), СПМ успешно встраивается в действующий интеграционный ландшафт производственных систем.

План перехода

Подготовка предприятия

Помимо подготовки комплекса ИТ-продуктов и организации интеграционных потоков между ними, перед производственным предприятием стоят еще как минимум две глобальные задачи для подготовки к внедрению автономизированных систем.

Изменения в производственных и организационных процессах

Каждое внедрение сопровождается следующим типовым (но не ограниченным ими) набором сложностей, которые и в случае внедрения темного цеха предприятиям необходимо пройти:

1. ревизия и очистка дублей в мастер-данных;

2. преобразование традиционных техпроцессов, к техпроцессам, учитывающим модель планирования и исполнения темного цеха (последовательность, детализация и времена операций, критически важные вспомогательные времена, перемещения, буферные времена разных назначений, пролеживание, временные матрицы переналадок/переходов/перемещений, и др.);

3. ликвидация ручного учета запасов на складах, внедрение адресного учета;

4. отказ от месячных планов в пользу скользящих планов запуска, сокращение времени реакции Производственной Системы в целом на изменения;

5. и многое др.

Гибкая связка Систем Управления и Исполнения

Разрывы между планами и фактом исполнения (Система Управления и Система Исполнения), свойственные людям, останутся и в настоящей автономизированной системе. Изменится порядок цифр: для хорошей «человеческой» системы разрыв составляет дни и часы, для машин это будут минуты и секунды. Точный до секунды математически верный план по времени и количеству никогда не совпадет с фактом (с точностью до времени реакции автоматов). Аналогично и с автономными процессами, особенно если речь идет не об одном автомате, а о сети автономных объектов.

Отсюда следует нетривиальная задача обеспечения гибкости взаимодействия между Системами Управления и Исполнения, решение которой лежит в направлении традиционного управления (расчет, перерасчет) буферных времен, в различных разрезах (до/после операции/наладки; до/после ОЦ/Линии, до/после перемещения и т.п.). Описание этого пока оставлено за рамками настоящего текста.

Фазы перехода от ручного к автономизированному исполнению (темный цех)

Единственный путь к успеху, как и десятки лет назад, на заре мировой производственной ERP-зации – построение:

1)   сначала оптимальных,

2)   затем (или сразу) автоматизированных,

3)   и в заключение - автономизированных (через ручное управление) процессов планирования и исполнения производством.

С началом в процессах: Управление и балансировка спроса; Управление Технологией.

Далее, одновременный или поэтапный переход на использование автоматов. Как десятки лет назад, основной фактор успеха – правильное построение процессов и правильное управление ими. План перехода представлен в таблице 4.