Комплексное применение имитационного моделирования
при реализации концепции e-Manufacturing

Ю. И. Толуев, К. Рихтер (Магдебург)

 

Аннотация

В докладе рассматривается возникновение концепции e‑Manufacturing в промышленности Германии и влияние этой концепции на развитие средств интеграции компьютерных моделей физических объектов и производственных процессов. Сообщается о деятельности института IFF в Магдебурге, связанной с построением как имитационных, так и графических VR-моделей в рамках концепции e‑Manufacturing.

1. Возникновение концепции e-Manufacturing

В конце 90-х годов практически все автомобилестроительные концерны Германии пришли к выводу о том, что возникли условия для реализации качественно нового уровня автоматизации процессов на всех этапах жизненного цикла изделия: начиная с эскизного проектирования и заканчивая утилизацией отслужившей свой срок техники. Эти условия были обеспечены, с одной стороны, уровнем развития базовых информационных технологий, а с другой – большим положительным опытом применения этих технологий на самих предприятиях. Для производства, существующего в условиях «тотальной информатизации», было предложено несколько различных названий, из которых наиболее прочные позиции завоевал термин Digitale Fabrik (цифровая фабрика). Иногда в публикациях употребляются термины Virtuelle Produktion, Virtuelle Fabrik и e-Factory. Прямым переводом термина Digitale Fabrik на английский язык является Digital Factory, но более часто сущность Digitale Fabrik сегодня выражают с помощью «интернационального» термина e‑Manufacturing.

Основным содержанием идеи e‑Manufacturing является непрерывное (если переводить буквально используемую при этом немецкую терминологию, то – сплошное) применение цифровых моделей в процессе проектирования и эксплуатации производственных систем. При этом в виде цифровых моделей отображаются не только сами изделия (например, в виде двумерных или трёхмерных CAD-чертежей), но и все средства производства, а также производственные и логистические процессы. Специальные способы хранения всех относящихся к сфере e‑Manufacturing данных и средства управления этими данными создают условия для информационной интеграции всех видов деятельности, которые связаны с подготовкой и реализацией процесса производства. Сами люди, участвующие в этой деятельности, получают возможность наблюдать статические объекты или динамические процессы, как правило, в виде трёхмерных изображений, создаваемых с помощью методов VR (виртуальной реальности). Ставится цель, достичь с помощью e-Manufacturing такого уровня моделирования объектов и процессов, при котором реальный процесс производства будет начинаться только тогда, когда абсолютно все его элементы будут изучены и оптимизированы с помощью моделей. Для специалистов на производстве главным должен стать принцип: «Буду делать только то, что я уже наблюдал на экране компьютера».

Конечно, никто не ожидает очень быстрого перехода огромных по своим масштабам производств на стопроцентный режим e-Manufacturing. Однако многие крупные концерны заявили очень решительно, что пойдут по данному пути «до конца». Наиболее «амбициозно» ведёт себя DaimlerChrysler [1]. Официально объявлено, что, начиная с 2005 года, ни одна промышленная установка не будет приниматься в эксплуатацию, если она не будет проверена с помощью соответствующей цифровой модели, которая эту установку будет потом постоянно сопровождать. Очень тесно сотрудничает с DaimlerChrysler на данном поприще Mercedes-Benz Pkw [1]. Концерн Opel поместил в интернете большую публикацию [2], в которой он рассказывает об успешной реализации концепции e-Manufacturing при строительстве нового завода в городе Рюссельсхайм. В прессе можно найти материалы об активности в направлении e‑Manufacturing, которую проявляют также BMW и Audi. В качестве зарубежного «передовика» чаще всего упоминается Toyota. Из «неавтомобильных» концернов следует отметить в первую очередь Airbus, который внедряет концепцию e‑Manufacturing на сборке нового аэробуса А380 на заводе в Гамбурге. Очень интересные дискуссии возникают в связи с тем фактом, что на автомобильную промышленность Германии работают около 1000 предприятий-поставщиков, перед которыми ставится задача обеспечения «модельной совместимости» их изделий.

2. Модели и программные продукты для реализации
концепции e-Manufacturing

Из вышесказанного следует, что для реализации концепции e‑Manufacturing необходимо иметь всего три группы программных продуктов:

·      средства для «интеллигентного» хранения разнообразных текстовых и графических данных, первоначально представленных в самых различных форматах;

·      средства для компьютерного моделирования объектов и процессов;

·      средства для визуализации результатов моделирования методами VR.

 

Иногда всю суть концепции e‑Manufacturing с точки зрения моделирования описывают формулой «Simulation + Virtual Reality». С точки зрения производственника при внедрении e‑Manufacturing должна обеспечиваться интеграция процессов управления потоками данных между такими, уже ставшими для него обычными, системами, как CAD (Computer Aided Design), CAE (Computer Aided Engineering) и PDM (Product Data Management). Нейтральное выражение «компьютерное моделирование» применено в данном тексте потому, что с термином Simulation в таких комплексных системах надо обращаться очень осторожно, то есть надо стараться точно понять, о каком «имитационном моделировании» идёт речь в каждом случае. На предприятии, внедрившем концепцию e‑Manufacturing, можно встретить очень разные виды моделей, как, например:

·    модели сборочных конвейеров;

·    модели систем транспортировки грузов по территории предприятия с помощью мобильных средств (погрузчиков, трейлеров и т. п.);

·    модели стационарных напольных и подвесных систем транспортировки грузов (конвейеров различной конструкции);

·    модели складских процессов (приём грузов, перемещение грузов в зоны хранения и обратно, отбор, комплектация, упаковка и отправка грузов);

·    модели технологических операций, выполняемых роботами (кинематические и временные модели);

·    модели технологических операций, выполняемых рабочими (кинематические, временные и эргономические модели);

·    кинематические модели процессов перемещения крупных объектов (например, фюзеляжа самолёта, корпуса судна и т. п.);

·    модели типа Digital Mock-up (анализ взаимного пространственного расположения компонентов узла или готового изделия);

·    модели физического изменения изделий при выполнении технологических операций (например, при прессовке деталей кузова из жести);

·      модели типа Crashtest (например, для изучения последствий удара изделия о препятствие).

 

Лишь первые четыре типа моделей относятся к классу «логистических», и они могут создаваться с помощью любых коммерческих симуляторов для процессов с дикретными событиями. Список наиболее часто применяемых языков моделирования и симуляторов этого класса выглядит так: GPSS, Simula, Arena, AutoMod, eM-Plant, Extend, ProModel, QUEST, SIMFACTORY II.5, Taylor ED и WITNESS. Сутью модели-
руемых процессов в таких моделях является перемещение во времени и в пространстве, как правило, большого количества объектов, образующих в совокупности некие «потоки». Такие модели поэтому и в пределах e‑Manufacturing часто называют Material Flow Models (Materialfluss-Modelle). Все остальные типы моделей требуют для своей реализации применения других – иногда очень специальных – средств моделирования. В список не вошли модели внешней логистики предприятия (цепей поставок и т. п.), так как они несколько выходят по своей «философии» за рамки концепции e‑Manufacturing.
Такие модели, однако, также весьма распространены, и для их построения могут применяться отмеченные выше симуляторы. Следует заметить, что программное обеспечение e‑Manufacturing должно поддерживать не только решение традиционных задач моделирования, но и такие операции, как проектирование производственных площадей (layout planning), оценивание времени выполнения технологических операций (time management) и др. VR-модели могут создаваться как в среде самих пакетов моделирования, так и с помощью таких универсальных средств, как язык VRML, который, фак-
тически, стал стандартным средством представления трёхмерных графических моделей в промышленных приложениях.  

Только две фирмы на европейском рынке программных продуктов заявили, что готовы предложить полные наборы взаимно совместимых продуктов для поддержки внедрения концепции e‑Manufacturing. Таковыми являются фирмы Tecnomatix и DELMIA (см. рис. 1 и 2). Ядром каждой системы является специальный банк данных, в котором представлены три базовые структуры данных производственного назначения, называемые «Product, Process and Resources» (сокращенно – PPR). У Tecnomatix этот банк данных называется eManufacturing Server (eMS), а у DELMIA – PPR Hub. В качестве инструмента для решения задач моделирования материальных потоков Tecnomatix предлагает симулятор eM-Plant, а DELMIA – симулятор QUEST. С другими программными продуктами можно ознакомиться, посетив страницы этих фирм в интернете.

 

Рис. 1. Программные средства поддержки концепции e-Manufacturing
фирмы Tecnomatix (источник: www.tecnomatix.com)

 

 

Рис. 2. Программные средства поддержки концепции e-Manufacturing
фирмы DELMIA (источник: www.delmia.com)

 

3. Имитационное моделирование и создание VR-моделей в институте IFF

В Институте организации и автоматизации промышленного производства им. Фраунгофера IFF (руководитель института – профессор, хабил. доктор инженерных наук Михаэл Шенк) интенсивно проводятся работы по использованию симулятора eM‑Plant для поддержки различных проектов для промышленности. В течение последних двух лет были разработаны следующие модели:

·        универсальный пакет для моделирования цепей поставки, обеспечивающих работу сборочных конвейеров;

·        логистический центр VW: участок приёма комплектующих узлов;

·        логистический центр VW: участок обработки пустой тары;

·        транспортировка стальных рулонов на заводе по производству холодного проката EKO;

·        высотный автоматизированный склад с двумя роботами-штебелёрами;

·        участок комплектации с линейным распределителем грузов;

·        установка для комплектации с конвейерным распределителем грузов;

·        сложная конвейерная система с линейным портальным роботом для укладки грузов на поддоны;

·        установка для наполнения тигелей порошком с простой конвейерной системой и линейным портальным роботом для укладки грузов на поддоны;

·        конвейерная система для высокоскоростной транспортировки мешков с цементом.

 

В институте накоплен очень большой опыт разработки как VRML-моделей для отображения производственных процессов (в том числе, и на базе данных имитационного моделирования), так и специальных VR-моделей, полностью погружающих пользователя в виртуальное пространство, что даёт ему возможность эффективно проводить работы по проектированию и испытанию машин и оборудования. Аналогичные VR-модели применяются для обучения и тренировок человека-оператора, который должен подготовить себя к выполнению сложной или незнакомой операции [3].

Достижения института в области построения и использования виртуальных моделей являются столь значительными, что принято решение о строительстве в Магдебурге специального учреждения: Virtual Development and Training Centre (VDTC). В этом центре предприятиям и организациям будет предлагаться широкий спектр услуг, связанных как с освоением самой техники и технологии создания и использования VR-моделей, так и с проведением конкретных мероприятий по обучению персонала, обеспечивающего эксплуатацию сложных технических объектов или выполняющего на этих объектах ремонтные и профилактические работы. Центр VDTC будет в значительной степени ориентирован на подготовку кадров в рамках сотрудничества с зарубежными партнёрами.

4. Ссылки

[1]       http://www.delmia.de/images/Sonderdruck_dt_u_engl.pdf (на нем. и англ. языке)

[2]       http://www.schwab-kolb.com/opel0020.htm (на нем. языке)

[3]       http://www.iff.fhg.de/eng/vdt/index.html (на нем. и англ. языке)