Глава 17 - Автоматизация проектирования и поддержки жизненного цикла ГТД

Глава 17 - Автоматизация проектирования и поддержки жизненного цикла ГТД

17.1 - Проектирование и информационная поддержка жизненного цикла ГТД (идеология CALS)

Последняя треть XX века прошла под знаком радикального изменения методов проектирования, связанных с бурным развитием средств вычислительной техники. Эти изменения продолжаются и в настоящее время. В настоящей главе отражены основные (концептуальные) изменения, произошедшие в интересующей нас области, и мало зависящие от краткосрочных временных факторов.

Применение ЭВМ при проектировании авиационных двигателей начинает свою историю с 60-х годов прошлого века. Первоначально ЭВМ попросту заменила логарифмическую линейку расчетчи- ка на более быстрый и точный инструмент. Затем применение ЭВМ стало принимать более массовый характер: прочностные, тепловые, газодинамические расчеты, обработка результатов испытаний, расчет управляющих программ для станков с ЧПУ и т.д.

Качественный скачок в методах проектирования произошел в середине 80-х годов с появлением систем трехмерного геометрического моделирования и подготовки производства - так называемых CAD/CAM-систем. С появлением последних стала возможной реализация безбумажной технологии проектирования. В настоящее время практи- чески все проектные работы в отечественных моторостроительных ОКБ ведутся с применением ПЭВМ. Западные же фирмы осуществили реальный переход на безбумажную технологию. Очевидно, что радикальное повышение эффективности процесса проектирования сложных надежных изделий возможно лишь с применением комплексных систем, охватывающих весь жизненный цикл изделия - от ТЗ до утилизации.

С начала 80-х годов в рамках министерства авиационной промышленности СССР была объявлена и активно продвигалась программа создания комплексной системы автоматизированного проектирования двигателей. По этой программе было создано множество прикладных программных продуктов, которые использовались на предприятиях

министерства авиационной промышленности. Прикладные программы разрабатывались абсолютно для всех стадий жизненного цикла изделий и успешно применялись на практике. Фактически этот комплекс представлял собой набор разрозненных программ, объединенных общей идеей.

На Западе идея систем, охватывающих весь жизненный цикл изделий была сформулирована в середине 80-х годов прошлого века в рамках министерства обороны США и получила название CALS-технология. Первоначально расшифровка этой аббревиатуры звучала следующим образом: Computer Aided Acquisition and Logistic Support (компьютеризированная поддержка поставок и логистики, то есть систем поставок). С 1993 года трактовку несколько изменили и программа CALS получила название Continuous Acquisition and Lifecycle Support - непрерывная поддержка поставок и жизненного цикла.

CALS - это совокупность принципов и технологий информационной поддержки жизненного цикла (ЖЦ) продукции на всех его стадиях, основанная на использовании единого информационного пространства (интегрированной информационной среды), обеспечивающая единообразные способы управления процессами и взаимодействия всех участников этого цикла: заказчиков продукции (включая государственные учреждения и ведомства), поставщиков (производителей) продукции, эксплуатационного и ремонтного персонала, реализованная в соответствии с требованиями международных стандартов, регламентирующих правила управления и взаимодействия преимущественно посредством электронного обмена данными.

Основополагающим стандартом CALS технологий традиционно принято считать стандарт Министерства обороны США MIL-STD-1840 Automated Interchange of Technical Information. Комитеты CALS созданы во всех индустриальных странах мира. Практическим результатом деятельности международного сообщества в области CALS стала разработка международных стандартов для обмена конструкторско-технологической документацией в электронном виде (стандарты ISO10303 или STEP).

Как следует из вышесказанного, идеология CALS берет свое начало от организации поставок запасных частей в эксплуатирующие организации армии США. Ключевым моментом для этого является компьютерное описание составов эксплуатирующихся изделий и руководств по эксплуатации.

В последние годы в среде производителей CAD/CAM-систем сформировался новый термин PLM - Product Lifecycle Management, управление

1149

Глава 17 - Автоматизация проектирования и поддержки жизненного цикла ГТД

жизненным циклом изделия. В основе подхода PLM так же лежит управление структурой (составом) и данными об изделии. Отличие состоит в том, что «корни» идеологии PLM - в процессе проектирования изделий, а «корни» идеологии CALS - в процессе обеспечения эксплуатации. Связующим звеном и фундаментом идеологии CALS-PLM являются так называемыPDM-системы (Product Data Management, управление данными об изделии).

Как уже было сказано, в настоящее время принципы и технологии CALS находят все более широкое применение в промышленности России. В связи с этим предлагается русскоязычная формулировка понятия CALS.

Информационная Поддержка процессов жизненного цикла изделий (ИПИ). Представляется, что ИПИ есть адекватный русскоязычный аналог понятия CALS, в связи с чем предлагается использовать эту аббревиатуру вместо CALS (а также PLM), кроме тех случаев, когда даются ссылки на зарубежные стандарты и зарубежный опыт [17.15.1]. Суть концепции ИПИ объясняется нижеследующей

схемой (см. Рис. 17.1_1). Согласно этой схеме основу, ядро ИПИ составляет интегрированная информационная среда (ИИС).

ИИС представляет собой распределенное хранилище данных, существующее в сетевой компьютерной системе, охватывающей (в идеале) все службы и подразделения предприятия, связанные с процессами ЖЦ изделий. В ИИС действует единая система правил представления, хранения и обмена информацией. В соответствии с этими правилами в ИИС протекают информационные процессы, сопровождающие и поддерживающие ЖЦ изделия на всех его этапах. Здесь реализуется главный принцип ИПИ: информация, однажды возникшая на ка- êîì-ëèáî этапе ЖЦ, сохраняется в ИИС и становится доступной всем участникам этого и других этапов (в соответствии с имеющимися у них правами пользования этой информацией). Это позволяет избежать дублирования, перекодировки и несанкционированных изменений данных, избежать связанных с этими процедурами ошибок и сократить затраты труда, времени и финансовых ресурсов.

Рисунок 17.1_1 - Концепция ИПИ

1150

Глава 17 - Автоматизация проектирования и поддержки жизненного цикла ГТД

Основное содержание ИПИ, принципиально отличающее эту концепцию от других, составляют инвариантные понятия, которые реализуются (полностью или частично) в течение ЖЦ любого изделия, независимо от его назначения и физического воплощения. Эти инвариантные понятия условно можно разделить на две группы:

-основные ИПИ-принципы;

-базовые ИПИ-технологии. К числу первых относятся:

-безбумажный обмен данными (Paperless data interchange) с использованием электронной цифровой подписи;

-анализ и реинжиниринг бизнес-процессов (Business-processes analysis and re-engineering);

-параллельный инжиниринг (Concurrent Engineering);

-системная организация постпроизводственных процессов ЖЦ изделия - интегрированная логистическая поддержка (Integrated Logistic Support).

К числу вторых относятся:

-управление проектом (Project Management);

-управление конфигурацией изделия (Configuration Management);

-управление интегрированной информационной средой (Information Management);

-управление качеством (Quality Management);

-управление потоками работ (Workflow Management);

-управление изменениями производственных

èорганизационных структур (Change Management). Проекты ИПИ реализуются силами многопро-

фильных рабочих групп, объединяющих в своем составе экспертов различных специальностей. Нормативную базу разработок составляют международные и национальные стандарты, регламентирующие различные аспекты принципов и технологий ИПИ.

В ИИС информация создается, преобразуется, хранится и передается от одного участника ЖЦ к другому при помощи программных средств, объединенных на схеме в блок «Инструментарий».

Êчислу таких средств относятся:

-автоматизированные системы конструкторского и технологического проектирования (CAE/ CAD/CAM);

-программные средства управления данными об изделии (изделиях) (PDM);

-автоматизированные системы планирования и управления производством и предприятием (MRP/ERP);

-программно-методические средства анализа логистический поддержки и ведения баз данных по результатам такого анализа (LSA/LSAR);

-программные средства управления потоками работ (Work Flow);

-методология и программные средства моделирования и анализа бизнес-процессов (SADT)

èäð.

Основные аспекты, определяющие эффективность применения ИПИ:

-Компьютерная автоматизация, позволяющая повысить производительность основных процессов и операций создания информации.

-Информационная интеграция процессов, обеспечивающая совместное и многократное использование одних и тех же данных. Интеграция достигается минимизацией числа и сложности вспомогательных процессов и операций, связанных с поиском, преобразованием и передачей информации. Поскольку доля вспомогательных процессов и операций в общем цикле достаточно велика, сокращение связанных с ними затрат времени и средств является существенным фактором экономии. Главным инструментом интеграции является стандартизация способов и технологий представления данных с тем, чтобы результаты предшествующего процесса могли быть использованы для последующих процессов с минимальными преобразованиями.

-Переход к безбумажной организации процессов и применение новых моделей их организации. Сегодня основной формой представления результатов интеллектуальной деятельности является бумажный документ, который в таком виде разрабатывается, контролируется, согласовывается

èутверждается. Очень часто, даже при использовании компьютерных систем, конечный результат интеллектуальной деятельности формируется в виде бумажного документа, а на последующих стадиях снова преобразовывается в электронный вид. Количество циклов преобразования и трудоемкость достаточно велики. Поэтому переход от бумажного документооборота к электронному позволяет многократно ускорить доставку документов нужным лицам, обеспечить параллелизм обсуждения, контроля и утверждения результатов работы, существенно сократить длительность процессов. В этом случае важнейшее значение приобретает применение электронно-цифровой подписи (ЭЦП) вместо обычной собственноручной.

Из этих аспектов можно выделить конкретные факторы, непосредственно влияющие на экономи- ческие показатели производства, применяющего ИПИ:

-сокращение затрат и трудоемкости процессов технической подготовки и освоения производства новых изделий;

1151

Глава 17 - Автоматизация проектирования и поддержки жизненного цикла ГТД

-сокращение календарных сроков вывода новых конкурентоспособных изделий на рынок;

-сокращение доли брака и затрат, связанных

ñвнесением изменений в конструкцию;

-увеличение объемов продаж изделий, снабженных электронной технической документацией (в частности, эксплуатационной), в соответствии

ñтребованиями международных стандартов;

-сокращение затрат на эксплуатацию, обслуживание и ремонты изделий («затрат на владение»), которые для сложной наукоемкой продукции под- час равны или превышают затраты на ее закупку.

Некоторые количественные оценки эффективности внедрения ИПИ (CALS) в промышленности США:

-прямое сокращение затрат на проектирование - от 10% до 30%;

-сокращение времени вывода новых изделий на рынок - от 25% до 75%;

-сокращение доли брака и объема конструктивных изменений - от 23% до 73%.

По другим источникам:

-сокращение затрат на подготовку технической документации - до 40%;

-сокращение затрат на разработку эксплуатационной документации - до 30%;

-сокращение времени разработки изделий - от 40 до 60%.

17.2 - Жизненный цикл изделия. Обзор методов проектирования

Основными стадиями ЖЦ любого изделия являются: проектирование, производство, эксплуатация и утилизация.

Под проектированием изделия понимается процесс разработки технической документации, которая обеспечивает возможности промышленного изготовления этого изделия (например, авиационного двигателя), его эксплуатацию и соответствие заданным техническим условиям.

Техническая документация подразделяется на три группы:

*конструкторская документация - отражает идеи и принципы заложенные в изделие, отвечает на вопрос: что должно быть изготовлено;

*технологическая документация - регламентирует методы и средства изготовления двигателя;

*эксплуатационная документация - обеспе- чивает правильную эксплуатацию изделия.

Задачей проектирования является разработка схемы, конструкции изделия и составляющих его элементов, которая должна обеспечить при опре-

деленных ограничениях наиболее эффективное выполнение поставленных целей.

Для решения задачи проектирования необходимо прежде всего определить цели и критерии оценки результатов проектирования.

Поэтому, непосредственному этапу проектирования предшествует этап исследования рынка и выработка требований к изделию (двигателю). На этом этапе заказчик и ОКБ работают совместно. В результате этой работы определяются техникоэкономические характеристики изделия и формируется техническое задание.

Этап формирования ТЗ можно назвать «внешним проектированием». Этапы собственно проектирования и разработки конструкторской документации определены ГОСТ 2.103-68:

-техническое предложение;

-эскизный проект;

-технический проект;

-рабочая конструкторская документация: а) опытного образца;

б) серийного производства.

Более подробно об этапах проектирования ГТД смотри главу 2.5.1.

В практике двигателестроительных ОКБ этап технического проектирования соответствует выпуску так называемых рабочих компоновок. Рабо- чие компоновки выпускаются узловыми отделами и не всегда синхронно. То есть, в определенный момент времени, к примеру, отдел компрессоров уже завершил выпуск рабочих чертежей, а отдел обвязки только приступает к выполнению рабочей компоновки.

Поэтому практически невозможно отделить этапы технического проекта и выпуска рабочей конструкторской документации. Иногда в литературе употребляют термины «технорабочее проектирование» или просто «рабочее проектирование».

17.3 - Программные средства проектирования

Как уже упоминалось ранее, принципиальные изменения в технологии автоматизированного проектирования произошли в конце 80-х годов прошлого века. «Революция» произошла с появлением так называемыхCAD/CAM/САЕ-систем - комплексных систем автоматизированного проектирования, подготовки производства и инженерного анализа.

В настоящее время на рынке предлагаются CAD/CAM-системы трех уровней:

- системы плоского черчения типа AutoCAD

1152