11.4. Создание гибких производственных систем предприятия

Гибкое производство - это такое производство, которое по­зволяет за короткое время и при минимальных затратах, на том же оборудовании, не прерывая производственного процесса и не оста­навливая оборудование, по мере необходимости переходить на вы­пуск новой продукции произвольной номенклатуры в пределах тех­нических возможностей и технического назначения оборудования.

Для динамического развития промышленности необходи­мо опережающее развитие машиностроения, особенность кото­рого на современном этапе состоит в доминировании многоцеле­вого предприятия с мелкосерийным характером производства, способным обеспечивать выпуск изделий широкой и непрерывно обновляемой номенклатуры.

Известно, что одним из условий повышения эффективнос­ти производства является автоматизация. Однако изменившийся характер доминирующего типа производства резко снизил эффек­тивность традиционных методов автоматизации, ориентирован­ных на массовый выпуск однотипных изделий.

Достижения микроэлектроники и связанные с ними успехи микропроцессорной управляющей техники открыли возможность широкого внедрения совершенных и оперативных методов управ­ления на всех уровнях и приблизили технику управления непос­редственно к объектам производства. Эти успехи обеспечили со­здание интегрированных электронно-механических устройств таких, например, как промышленные роботы (ПР) - одно из ос­новных средств гибкой автоматизации.

Таким образом, требования к современному машинострои­тельному производству, с одной стороны, а с другой - достиже­ния в области микроэлектроники и связанные с ними успехи в области микропроцессорных управляющих вычислительных сис­тем определили, соответственно, необходимость и возможность резкого повышения эффективности производства в современ­ных условиях.

Объединение роботизированных комплексов, транспортных и складских средств и вычислительной техники дает многократ­но умноженный эффект, вносит коренные преобразования в тех­нический уровень производства и служит основой гибких произ­водственных систем, конечной целью которых является «безлюдное» производство.

В настоящее время особенно остро ставится вопрос даль­нейшей интенсификации производства, повышения его эффектив­ности и обеспечения выпуска конкурентоспособной продукции. Достижение этих целей возможно лишь при существенном росте производительности технологического оборудования и широкой его автоматизации. Эффективным средством реализации указан­ного является широкое применение ТПС и гибких производствен­ных комплексов, управляемых от ЭВМ и работающих по принци­пу гибко переналаживаемых технологий.

В ТПС можно автоматизировать практически все техноло­гические операции. Традиционный подход к построению ГПС состоит в замене универсального неавтоматизированного обору­дования станками с ЧПУ или многооперационными станками со сменными спутниками, в объединении групп станков единой ЭВМ. Это позволяет создавать автоматизированные комплексы обору­дования с ЧПУ, в которых помимо механической обработки дета­лей по заданной программе автоматизированы операции подачи на станки заготовок и удаление с них обработанных деталей; сме­ны режущих и измерительных инструментов; контроля качества обработки деталей; транспортировки заготовок из склада к стан­кам и обработанных деталей от станка на склад; отвода стружки от станка и подачи смазочно-охлаждающей жидкости; смены про­грамм обработки.

Основными частями автоматизированных комплексов (ГПС) являются:

- во-первых, автоматизированные транспортные системы подачи заготовок, удаления готовых деталей, подачи инструмен­та и его возвращения на склад;

- во-вторых, группы станков с автоматизированной сменой инструмента;

- в-третьих, управляющая их действиями центральная ЭВМ.

Основа автоматизации ГПС - широкое использование си­стем числового программного управления (ЧПУ) и управляю­щих вычислительных комплексов для управления и согласова­ния работы станков, транспорта и всех устройств, необходимых для функционирования ГПС. В производстве, построенном на основе ГПС, изготовление деталей на станках осуществляется без станочников и практически реализуются принципы «безлюд­ной» технологии механической обработки с круглосуточной эк­сплуатацией оборудования, что чрезвычайно важно для маши­ностроительных предприятий.

В связи с созданием и использованием ГПС механической обработки особое значение приобретают станки с числовым про­граммным управлением. Эти станки получили широкое применение в качестве наиболее производительного металлорежуще­го оборудования. Переход от отдельных станков с ЧПУ к автоматизированным системам в первую очередь решает задачу повышения эффективности оборудования с ЧПУ в 2-3 раза за счет резкого сокращения времени переналадки его на выпуск другой продукции, а также освобождения оператора от моно­тонной работы - наблюдения за работой станка. Объединение автономных станков с ЧПУ в автоматизированные гибко пере­страиваемые системы позволяет повысить коэффициент загруз­ки станков, коэффициент сменности, при этом резко сокращается производственный цикл обработки деталей, появляется возможность выполнить операции в любой последовательности деталей нескольких типов одновременно.

В технически развитых странах накоплен опыт создания ГПС, компоновка которых зависит от многих факторов: алгорит­ма работы оборудования и его состава; степени автоматизации ГПС; потоков заготовок, инструментов, информации; организа­ции транспортно-накопительных систем. Внедрение ГПС позво­ляет получить значительный экономический эффект в результате централизованного управления всеми производственными процес­сами, быстрой двухсторонней передачи административной и тех­нической информации.

В настоящее время необходимость ускорения темпов соци­ального и экономического развития нашей страны на базе научно-технического прогресса определила задачи по коренной перестройке организационно-экономических и технологических характеристик производственной деятельности в направлении создания более ди­намичных и сверхинтенсивных форм производства.

Рассматривая хронологию традиционного подхода к интен­сификации производства можно показать, что она заключалась в повышении производительности машин, оборудования и техно­логических процессов.

По мере прогресса науки и техники традиционный путь интенсификации привел к резкому дисбалансу форм интенсифи­кации труда человека и машин. В перспективе такой путь привел бы к еще большему противоречию трудовых возможностей чело­века и производительности машин.

Современный этап развития машиностроения в ведущих странах мира характеризуется повышением экономических и научно-технических требований к производству. Ранее перед авто­матизацией ставилась задача обеспечить нужды производства по параметрам времени, количества и качества. Теперь устройства автоматизации применяются для непосредственной рационализа­ции производственного процесса и обработки данных в системах планирования и управления.

В конце 90-х годов динамизм той или иной индустриальной державы зависит не столько от общего высокого научно-техничес­кого уровня промышленности, сколько от уровня овладения тремя направлениями, в которых сконцентрированы достижения многих областей науки и техники. Речь идет о компьютерах, средствах свя­зи и автоматизации конторско-управленческой деятельности, про­изводство которых станет ядром промышленности XXI века.

Как видно, главная тенденция и особенность современного этапа развития производства состоит в том, что впервые эта пробле­ма решается принципиально по-новому за счет полного исключения исчерпавшего себя по интенсивности физического труда человека и расширения применения более гибких и практически неограничен­ных для интенсификации форм труда и широкими возможностями современных ЭВМ. Очевидно, можно утверждать, что последствия столь революционного изменения характера труда окажут глубокое влияние на разные стороны жизни общества - организационно-тех­ническую, научно-техническую, социально-экономическую.

В конце 60-х годов прогресс вычислительной техники и средств автоматизации технологических процессов достиг такого уровня, что в промышленно развитых странах был поставлен воп­рос о крупномасштабной автоматизации на основе ЭВМ. В то вре­мя было трудно ответить точно, где проявится наибольший эф­фект от внедрения новых технических средств - в технологии или производстве. Поэтому в 70-х годах в отдельности друг от друга стали развиваться, главным образом, две сферы (рис. 11.3): авто­матизация обработки информации - автоматизированные систе­мы управления (АСУ), системы автоматического управления (САПР); автоматизация технологии производства - технологическое оборудования с числовым программным управлением от ЭВМ (с ЧПУ), автоматизированные системы управления технологичес­кими процессами (АСУТП), промышленные роботы (ПР).

Рис. 11.3. Общие направления автоматизации

Опыт показал, что обработка информации (автоматизиро­ванная) в отрыве от автоматизации технологии не приводит к же­лаемым результатам. Поэтому в 80-х годах уже был взят курс на интеграцию указанных сфер автоматизации. Наиболее интенсивным направлением реализации такой интеграции является созда­ние автоматизированных производственных систем, получивших название «гибких производственных систем» (ГПС). Хронологическое развитие ГПС делится на несколько периодов (рис.11.4.):

I период (60-70-е гг.) - разработка и проверка базовых принципов создания технологии будущего;

II период (80-е годы) - разработка и создание элементной техники и технологии;

III период (90-е годы) - разработка и создание системных комплексов гибкого производства.

Рис. 11.4. Хронология развития ГПС

Рассмотрим результаты этих периодов:

- продуктом первого периода стали такие новинки, как промышленный робот, обрабатывающий центр, микропроцессор, автоматизированное рабочее место проектировщика и др. достижения;

- второй период характеризуется первыми попытками реа­лизовать методологию локально-комплексной автоматизации производства. Так возникли робототехнические комплексы (РТК), гибкие модули, линии и участки;

- в третьем периоде появились гибкие технологии с высо­ким уровнем машинного интеллекта техники управления произ­водством.

ГПС представляет собой качественно новый этап автомати­зации и организации производственных процессов. Концептуаль­ные характеристики ГПС (автоматизация и гибкость) могут быть реализованы только при высоком уровне взаимосвязи и сбалан­сированности техники, технологии, информационно-программно­го обеспечения, подготовки соответствующих кадров, организа­ции и управления: Организационно-экономическая концепция ГПС охватывает такие аспекты, как исследование ГПС как со­ставного элемента всего производственного процесса, рассмот­рение ГПС как самостоятельной системы, в которой составные элементы должны быть уравновешены.

ГПС является принципиально новой формой организации и интеграции производства на основе внедрения новой техники и технологии управления. В результате изменения и совершенство­вания форм организации сокращается живой овеществленный труд в единице продукции. С внедрением ГПС организуется «безлюд­ное» производство, достигается высокая производительность мно­гооперационного оборудования и его непрерывная работа.

Внедрение ГПС требует определения экономической целе­сообразности уровня гибкости автоматизации определенного объек­та. Экономический критерий - своеобразный компромисс между уровнем гибкости и величиной расходов на новую технику и пере­стройку оборудования в ходе производства. Основными организа­ционно-техническими целями и критериями эффективности функ­ционирования ГПС являются: уменьшение численности промышленно-производственного персонала; снижение себестоимости продукции; повышение использования производственных мощностей; сокращение срока разработки изделий. Определение целей разработки ГПС должно основываться на анализе и прогно­зировании потребностей производства продукции и организацион­но-экономической оценке альтернативных вариантов организации производства, удовлетворяющих принятым критериям.

Для подобных современных производственных комплексов характерны высокая степень технологической, параметрической и структурной гибкости и широкое применение принципа типовых технологических, управленческих и технологических решений.

По технологическому признаку гибкие производственные системы в различного рода дискретных производствах могут быть разделены на две группы.

ГПС первой группы предназначены для выпуска с высокой производительностью крупных серий узкого спектра изделий, ха­рактеризующихся высокой степенью конструктивного и техноло­гического подобия. Примером могут служить блоки цилиндров ав­томобильных двигателей, изготавливаемых в вариантах на 4 либо 6 цилиндров с расточками под гильзы различных размеров. Такие технологические задачи решают, применяя разновидность ГПС, называемую гибкой поточной линией (ГПЛ). На такой линии поток изделий перемещается с заданным ритмом по рабочим позициям, расположенным в соответствии с технологическим маршрутом и связанным внутренними межстаночными транспортными устрой­ствами. Так или иначе прохождение изделием производственного цикла определяется технологическим маршрутом и соответствую­щим этому маршруту расположением оборудования.

Однако для такой разновидности гибких производственных систем характерно то, что для перехода на изделия другого наиме­нования необходимо: остановить поток; завершить обработку име­ющегося задела; остановить оборудование; перекомпоновать про­изводственные бригады; произвести переналадку оборудования и затем снова запустить поток на выпуск изделий нового наименова­ния. Таким образом, одновременно в производстве в условиях гиб­кого потока могут находиться изделия только какого-нибудь одно­го наименования.

Для выпуска изделий широкой номенклатуры, ограничен­ной только техническими характеристиками типоразмеров при-

меняемого оборудования, и специализацией и квалификацией производственного персонала, обладающей в этих пределах боль­шим технологическим разнообразием, создаются гибкие произ­водственные системы второй группы, характеризующиеся иной организационной и функциональной структурой. Для этой разно­видности производств характерно движение изделий от одной единицы оборудования к другой по участку по произвольно изме­няемому маршруту с возможностью его прерывания. Маршрут движения изделий и последовательность выполнения над ними технологических операций не связаны с расположением оборудо­вания или с неизменным порядком чередования специализирован­ных производственных бригад, а определяются планом работы производственного комплекса и расписанием загрузки оборудо­вания. Здесь возможно одновременное нахождение в производ­стве изделий различных наименований и не требуется обязатель­ного выравнивания для различных изделий времени пребывания на соответствующих операциях технологического маршрута так же, как и числа этих операций. К гибким производственным сис­темам данной разновидности относятся технологические комп­лексы разного масштаба и различной степени сложности и уров­ня автоматизации, от гибких участков и цехов до гибких автоматизированных производств и объединений. Таким образом, многономенклатурные дискретные гибкие производства незави­симо от их природы характеризуются одновременной работой над несколькими изделиями с выполнением при этом отдельных опе­раций технологического маршрута на характерном для этих опе­раций технологическом оборудовании либо с привлечением спе­циализированного персонала.

Для ГПС второго поколения характерны нелинейные схе­мы организации производства, при которых порядок прохожде­ния деталями технологических маршрутов определяется не кон­фигурацией технологической линии, а зависит от уровня загрузки тех или иных станков системы. Технологические маршруты, та­ким образом, изменяются в зависимости от состояния всей про­изводственно-технической системы в целом, что позволяет опти­мизировать загрузку станков, сократить объем незавершенного производства и время прослеживания деталей.

По мнению многих зарубежных специалистов, важнейши­ми условиями гибкого комплексно-автоматизированного произ­водства являются комплексная стандартизация режущего и вспо­могательного инструмента, крепежной оснастки, уменьшение на основе стандартизации исходных многообразий инженерных ре­шений и обеспечение технологичности обрабатываемых деталей еще на стадии проектирования.

Одним из основополагающих принципов и необходимых предпосылок концепции адаптивной автоматизации в настоящее время является так называемая групповая технология, т.е. орга­низация производства путем выделения в отдельные технологи­ческие группы деталей, близких по морфологическим парамет­рам и размерам и, следовательно, требующих сходных методов обработки и оборудования.

Структура и состав оборудования гибких производственных систем определяется, прежде всего, номенклатурой обрабатывае­мых деталей, чаще всего до десяти штук. Технико-экономические преимущества такого варианта системы обусловлены сравнитель­но небольшой номенклатурой режущего и вспомогательного ин­струмента и крепежной оснастки, простотой системы управления, планирования и диспетчирования, относительно небольшим мас­сивом управляющих программ для станков.

Внедрение ГПС должно осуществляться без прекращения производственных процессов, что обусловливает особое значение организационного механизма подключения гибкого модуля к дей­ствующей системе. Следовательно, необходимо соблюдение таких .принципов организации производства, как специализация предпри­ятия и его звеньев, пропорциональность элементов, параллельность выполнения работ, непрерывность организации производственных процессов, ритмичность и равномерность производства, обеспече­ние целостности производственных систем. Важными проблема­ми остаются организация управления системы в реальном време­ни, координация с другими звеньями и возможность применения различных типовых ГПС на одном предприятии.

При анализе и решении о внедрении ГПС освящаются сле­дующие проблемы: анализ состояния; тенденции, цели и крите­рии создания ГПС; характеристика особенности организации производства в условиях ГПС; проектирование ГПС в целом и по от­дельным элементам; взаимосвязь ГПС с системами управления производства и всего предприятия; определение предварительной экономической эффективности до внедрения; внедрение системы; поддержание ее в состоянии эффективного функционирования.

Следует отметить, что ГПС не могут заменить все традици­онные виды производства. Их области применения широки, но не беспредельны.

Свыше нескольких миллионов выгодно применять жесткую автоматизацию, а при нескольких сотнях деталей в месяц целесо­образен ручной труд.

При проектировании ГПС исходным пунктом является ана­лиз ассортимента производимых деталей, на основании которого выделяются те группы деталей, автоматизированное производство которых обеспечивает наивысшую экономическую эффективность. Затем с учетом взаимосвязей между потоками заготовок, инстру­ментов, средств контроля информационных потоков определяют и оптимизируют методы производства и производственного процес­са применительно к ГПС. Главное внимание при этом уделяют воп­росам крепления и позиционирования заготовок, выбору инстру­мента, а также управлению производственным процессом.

Оптимизация систем производства и производственного процесса осуществляется путем многокритериального сравнитель­ного анализа нескольких возможных вариантов. Основными оп­тимизируемыми параметрами являются: срок изготовления дета­лей; стоимость продукции; коэффициент загрузки оборудования. Важное место в обеспечении эффективности работы ГПС отво­дится контролю за состоянием инструмента и функционировани­ем станков, роботов и периферийных устройств. Прямые измерения выполняются механическими, индуктивными и оптоэлектронными датчиками. Косвенные измерения основаны на определении усилия в зажимах, уровня шума, вибрации, расхода Электрической энергии, величины рабочего напряжения в элект­рических устройствах. Управляющие и контролирующие устрой­ства состоят из программных модулей, позволяющих производить долгосрочное и краткосрочное планирование, управление мате­риальными потоками и производственным оборудованием.

В настоящее время сформировалось два основных направ­ления создания ГПС:

1. создание ГПС из вновь изготовляемого, а в ряде случаев -из специально проектируемого нового оборудования (ГПС-Н). Од­нако реальные возможности изготовления оборудования для ГПС-Н и значительные единовременные капиталовложения на его приобре­тение не позволяют удовлетворить существующие потребности;

2. создание ГПС на базе уже имеющегося на предприятии действующего оборудования с ЧПУ (ГПС-Д). Это направление в ряде случаев экономически более целесообразно, поскольку еди­новременные капиталовложения сводятся к затратам на модерни­зацию основного оборудования, приобретение вспомогательного оборудования (автоматизированной транспортно-складской сис­темы (АТСС), оргоснастки рабочих мест) и системы управления (вычислительной техники, программного обеспечения), а также на проведение реконструкции цеха (участка), что в совокупно­сти составляет 15-25 % общей стоимости ГПС из 30 станков. Для многоцелевых станков эта доля еще ниже. Для ГПС-Д характерно разнообразие моделей оборудования, в том числе станков близко­го технологического назначения. Это уменьшает гибкость и на­дежность ГПС, существенно усложняет вопросы управления, од­нако ГПС-Д является практически единственным средством повышения эффективности и использования уже имеющегося и довольно значительного парка станков с ЧПУ.

Показатели и область применения ГПС

Первоначальный мировой опыт разработки и внедрения наглядно показал жизнеспособность ГПС как высокоинтенсивной, трудосберегающей формы производства. Как по зарубежным, так и по отечественным данным, даже далеко не самые совершенные ГПС позволяют увеличить в среднем коэффициент использова­ния оборудования на 30%, уменьшить его простой на 40%, сни­зить стоимость единицы продукции на 10%, уменьшить потреб­ность в персонале на 30%, обеспечить поточное изготовление единичных партий изделий, поступающих в случайном порядке при номенклатуре до нескольких десятков единиц.

Анализ распределения времени загрузки производства (рис. 11.5) показывает, что основное машинное время оборудования для про­изводства мелких партий деталей занимает всего 6% от общего вре­мени загрузки производства, а доля вспомогательного времени в совокупности с потерями превышает 50-60%. Естественно, что основной упор был сделан и на автоматизацию вспомогательных операций, обеспечение автоматического функционирования обору­дования в вечерние и ночные смены, резкое сокращение времени переналадок, переоснащение, смены инструмента, автоматизацию управления материалами и информационными потоками.

Рис. 11.5. Диаграмма распределения времени загрузки производства

Наибольшее распространение ГПС получили в механооб­работке. Здесь сформировалась типичная структура - модули, объединяемые в линии или участки с помощью транспортно-складских систем. Распространение ГПС в механообработке неравномерно. В основном развитие получила обработка корпусных деталей, затем тел вращения и листовых материалов. Достигнута длительность безоператорной работы модулей для корпусных де­талей до одной смены (как правило, ночной) и повышение про­изводительности труда до 200-300 %.

Автоматизация многономенклатурного производства на базе ГПС позволяет приблизить его по организованности к конвейер­ному, придать мелкосерийному производству характер массового па-производительности и использованию оборудования.

Анализ применения ГПС в механообработке показывает, что по сравнению с традиционным оборудованием ГПС позволяет снизить следующие показатели:

- число единиц технологического оборудования на 50-70 %;

- число обслуживающего персонала максимально - на 80 %;

- удельные расходы на зарплату рабочим, отнесенные к од­ной детали - на 20 %;

- производственные площади - на 60 %;

- производственные расходы - на 55 %;

- накладные расходы и расходы на вспомогательные рабо­ты - на 87 %;

- общее время производительного цикла (от заказа до выпус­ка готового изделия) - в 5-6 раз, в том числе время обработки -на 50-70 %, время наладки - на 90 %.

Уместно также отметить, что гораздо труднее с помощью ГПС осваивать сборочные технологии. Если в ГПС мехобработки фокусирующим компонентом является обрабатывающий центр, то для сборочных большое значение имеют промышленные робо­ты, обеспечивающие универсальность и гибкость сборочного обо­рудования. В сборке требуются работы с развитой сенсорикой и достаточно высоким уровнем машинного интеллекта, что особенно влияет на повышение уровня при создании ГПС сборки.

В связи с тем, что роботы с интеллектуальными средствами не получили необходимого распространения, приходится резко по­вышать затраты на периферийное оборудование и оснастку, со­здавая условия для применения более простых роботов. При этом стоимость оснастки и периферийного оборудования составляет до 70 % от общей стоимости сборочного модуля.

Сборочное оборудование является одним из определяющих в общем технологическом цикле производства как с точки зре­ния обеспечения номенклатурного и качественного уровня, так и объемов выпуска. Свыше 30 % объема продаж технологического оборудования в мире составляет сборочное, а, по оценке специа­листов, динамика его роста в общем объеме равна 45-50 %.

Созданию ГПС предшествовал этап развития элементной гибкой технологии. При этом основой гибкости стала перестрой­ка программ управления оборудованием и процессами.

В 50-е годы стали развиваться металлорежущие станки с про­граммным управлением. В конце 60-х появились управляемые от ЭВМ промышленные роботы. Далее, в 70-х, числовое программ­ное управление станками также было переведено на управление от ЭВМ. После этого начали появляться другие технологические сред­ства, управляемые от ЭВМ. Например, транспортные робокары.

Появление в середине 70-х годов микропроцессоров и микро-ЭВМ в значительной степени ускорило развитие систем программного управления, способствовало расширению функциональных возможностей, облегчало их встраивание в технологическое оборудование при конструировании.

На следующем этапе, который начался в 80-е годы, все это отдельно созданное и разрозненно-эксплуатируемое авто­матическое оборудование стали объединять в целостно-эксп­луатируемые системы.

В исследованиях ГПС выявлено, что затраты на сравнивае­мые по показателям системы могут различаться весьма существен­но - в 5-7 раз.

За рубежом разработан ряд экспериментальных проектов ГПС с использованием системного подхода и принципа системной ком­плектности. Это широко известные проекты фирм ФАНУК (Япо­ния), КОНАУ (Италия), РЕРАСАМ (Англия), УСАМ (США) и др.

В бывшем СССР имелись проекты создания ГПС, в которых конкретно реализуется системный подход. Гибкий машинострои­тельный комплекс, построенный в электронной промышленности, нацелен на достижение таких технико-экономических показателей, которые позволяли бы перекрыть широкий диапазон производствен­ных возможностей - от опытного производства индивидуальных

изделий до мелкосерийного и серийного производства. Такая цель требует взаимосвязанного рассмотрения не только процессов про­ектирования, конструирования, технологической подготовки и из­готовления, но и процессов долгосрочного планирования производ­ства, развития НИР и ОКР, управления хозяйственной деятельностью и инженерно-технической подготовкой.

Гибкий производственный комплекс из 17 роботизирован­ных модулей для обработки тел вращения успешно эксплуатирует­ся, подтверждая обоснованность выбранного подхода. Решение первоначальных задач уже привело к повышению производитель­ности в 4,5 раза, при снижении себестоимости продукции на 30-40 % и увеличении ее объема в 2 раза.

Системная постановка проблем характерна для проекта КАПРИ Института атомной энергии им. И.В. Курчатова. Проект связан с разработкой ГПС для опытно-экспериментального ма­шиностроения с индивидуальным и мелкосерийным типом про­изводства. Характерная особенность КАПРИ - ориентация на полный сквозной цикл «Проектирование - подготовка производ­ства - изготовление».

В соответствии с комплексным проектом в электронной от­расли созданы цеховые структуры ГАЛ, ГАУ и ГАЦ с минималь­ным участием людей в самых ответственных технологических операциях микросборки и микросварки. В результате реализации проектных разработок производительность комплексно-автомати­зированных участков сборки в расчете на одного оператора вы­росла в 20 раз; объем производства увеличился в 4 раза; число отказов в работе оборудования снизилось в 3 раза. Решена важная социальная проблема - человек освобожден от выполнения вред­ной для зрения и здоровья работы.

В настоящее время известно более 300 зарубежных разра­боток ГПС, большая часть которых уже внедрена в промышлен­ности. Почти 50% всех разработок приходится на долю Японии; около 30% ГПС создано фирмами Западной Европы; 20% спроек­тировано в США.

Одной из основных проблем, возникающих при создании ГПС, является обеспечение аппаратной и программной совмести­мости отдельных автоматизированных линий. Решение проблемы заключается в стандартизации аппаратного и программного обеспечения. Причем процесс стандартизации должен быть обя­зательным для всех фирм изготовителей вычислительной техни­ки и периферийного оборудования. Фирмой GENERAL MOTERS (США) разработан стандарт предприятия «Протокол автомати­зации производства». Фирмой DEC (ФРГ) используется ГПС с хорошо отработанными пакетами программ в области планиро­вания производства, конструирования и подготовки производ­ства. ГПС на базе центрального банка данных создана и используется фирмой MCDONELL DOUGLAS (США). Кроме САПР, автоматизированных систем планирования и управления произ­водством в ГПС этой фирмы имеется автоматизированная сис­тема контроля качества продукции. Фирмой SIEMENS (ФРГ) внедрена ГПС, которая осуществляет конструирование, програм­мирование и подготовку производства, управление станками, контроль качества, управление заказами, складским хозяйством, отправкой готовой продукции.

Предложенная фирмой D'IVEREA (Италия) концепция уп­равления позволила создать систему, названную ею руководящей, с выделением функций собственно управления (распределение и проведение работ в производственной системе с помощью пря­мых и косвенных указаний) и функций контроля (накопление и обработка информации для подготовки манипуляционных дей­ствий с последующей ее передачей на управление функции). Все функции зависят от аппаратурного состава производственной си­стемы, что не позволяет создавать стандартные программные мо­дули. Фирма пытается преодолеть эту трудность путем разработ­ки гибкой руководящей системы, позволяющей изменением определенных программных модулей адаптировать ее к конкрет­ным условиям производства. Дальнейшее развитие системы пред­лагается по пути создания экспертных систем с искусственным интеллектом, позволяющих производить самообучение.

Усиление конкуренции чрезвычайно обострило требования к качеству выпускаемой продукции и гибкости производственных систем, что привело к всемирной интеграции новейших техноло­гий в систему производства и активизации участия сотрудников в процессе выработки производственных решений. Все это обусловило создание в Америке концепции «подвижного производства». Примером может служить завод по производству электронных компонентов автомобильной компании «Форд Лэнсдейнс», выпускающий в день 124 000 различных сложных приборов. Руководству предприятия приходится ежедневно отслеживать производственное движение более 5 млн. деталей. При этом производство может быть перестроено на новую программу в течение 24 часов, т.к. завод был спроектирован с высоким уровнем автоматизации, повсеместным компьютерным контролем, что позволяет быстро реагировать на все изменения. Работа предприятия базируется в основном на программном, а не аппаратном обеспечении. Поэто­му, когда нужно изменить производственный процесс, меняют программу, а не оборудование. На заводе стараются установить более тесные связи с потребителями и поставщиками, чтобы оперативнее реагировать на все изменения рынка.

Интенсивное использование технологии кодирования для отслеживания пути каждого сборочного узла, а также оборудова­ния на компьютерной основе, которое можно перепрограммировать буквально «на лету» - все это дает возможность производственным руководителям сократить производственные запасы, свести к минимуму время перехода на новую продукцию и, соответственно, быстро реагировать на изменение потребительского спроса.

Несмотря на очевидные достоинства гибких производствен­ных систем при автоматизации технологических процессов в про­мышленности возникают существенные технико-экономические затруднения и противоречия.

В условиях быстрого развития техники требования к совре­менной автоматизации оборудования постоянно повышаются. При этом, с одной стороны, повышение точности, динамических и эк­сплуатационных характеристик технологического оборудования ведет к постоянному его усложнению, а с другой - требуется бы­страя смена поколений оборудования, сокращение сроков его раз­работки и внедрения. Задачи же по созданию и внедрению гибких производственных систем достаточно сложны. Это объясняется тем, что разработка процессов проектирования и изготовления Продукции должна быть ориентирована на применение высоко­производительных материале- и энергосберегающих технологий, новых конструкционных материалов, повышающих надежность, экономичность и долговечность изделий, на использование мето­дов групповой организации производства.

Для современных способов автоматизации производства характерны высокие уровни начальных капиталовложений. ГПС в этом смысле не является исключением. Например, в зарубежной практике ГПС для большей части разработок начальные ка­питаловложения составляют от 2 до 20 млн. долл. Стоимость наи­более распространенных промышленных роботов изменяется в диапазоне от 40 до 100 тыс. долл.

Показателен пример японской фирмы «Ямазаки», создавшей ГПС механообработки. В результате ее внедрения число стан­ков уменьшилось с 68 до 18. Занимаемая оборудованием площадь сократилась в 3 раза, число работников уменьшилось с 215 до 12 человек, технологическое время обработки сократилось в сред­нем с 85 до 1,5 дней. Несмотря на столь резкое улучшение показа­телей через два года из 18 млн. долл. затрат окупилось только 6,9 млн. долл. Это свидетельствует о том, что обоснованием капи­таловложений на создание ГПС должны быть соображения стра­тегического характера, вытекающие из комплексного анализа эф­фективности ГПС. Анализ экономической эффективности ГПС является одной из центральных проблем, решаемых при создании гибкого производства.

К недостаткам следует также отнести:

- противоположность тенденций к унификации узлов ГПС и их гибкости, т.е. степени адаптации к конкретным особенностям различных технологических процессов;

- снижение производительности ГПС (по сравнению с жес­ткими автоматическими линиями роторно-конвейерного типа) при расширении их функциональных возможностей и универсализации вследствие разделения транспортных, вспомогательных и особенно производственных операций.

Эти трудности в значительной мере являются результатом того, что существующие ГПС и робототехнологические комплексы нацелены на исключение человека из сложившегося техноло­гического процесса, опирающегося на готовые единицы основно­го оборудования, главным образом, станки с ЧПУ.

О значении, придаваемом ГПС, и сложности решаемых за­дач свидетельствует тот факт, что в принятой в 1985 году. Комп­лексной программе научно-технического прогресса стран-членов СЭВ до 2000 года создание ГПС признано одним из пяти приоритетных направлений международного сотрудничества. В США, Японии и странах Западной Европы наиболее крупные проекты в этой области также выполняются на уровне государственных и международных программ. Правительство Великобритании ком­пенсирует фирмам половину затрат на получение консультаций и до трети капиталовложений на приобретение оборудования и рас­ширение производственных площадей для создания ГПС.

Однако практика создания, внедрения и эксплуатации ГПС выявила целый ряд объективных и субъективных трудностей и показала, что во многих случаях ГПС не оправдали возлагаемых на них надежд, что необходимо тщательное технико-экономичес­кое обоснование уровня гибкости и автономности ГПС с учетом организационно-производственной специфики конкретных пред­приятий. При создании ГПС особое внимание следует уделять вопросам оптимизации материальных, энергетических и инфор­мационных потоков, которые в значительной мере определяют мобильность и эффективность таких производств.

Оценивая реально существующее положение, следует признать, что наиболее скромные успехи достигнуты в области орга­низационного управления. Однако в целом проблемы устойчивос­ти и смежные задачи организационного управления работой ГПС связаны не столько с созданием каких-то новых оптимизационных моделей или глобальных концепций управления, сколько с анализом и взаимной увязкой различных компонентов производственно­го процесса - направление главного удара при разработке систем Организационного управления переносится из сферы теоретико-математической в сферу практической организации производства.

Внедрение ГПС требует привлечения новых нетипичных для Традиционного производства специалистов: технологов-програм­мистов, электронщиков, операторов и наладчиков станков с ЧПУ, а также существенного повышения квалификационных требова­ний к имеющимся специалистам. Таким образом, хотя внедрение ГПС обусловливает тенденцию сокращения числа работающих в расчете на единицу выпускаемой продукции, требуемая «сумма квалификаций» и спектр профессиональных специализаций пер­сонала резко возрастают.

Сама идея создания ГПС вытекала из логики развития тех­ники - на базе последних достижений вычислительной техники и механообрабатывающего оборудования не просто создать техно­логическую систему (пусть совершенную), а систему производ­ственную, призванную решать в первую очередь именно производ­ственные задачи, особенно в мелкосерийном многономенклатурном производстве. Эта задача пока решена только частично. Основная трудность состоит в том, что по мере снижения серийности проис­ходит резкое усложнение организационно-производственных вза­имосвязей как внутри производственной системы, так и при ее вза­имодействии с «внешним миром», именно поэтому наиболее обнадеживающие результаты гибкая автоматизация пока дала в массовом, крупно- и среднесерийном производстве, где эти взаимосвязи гораздо проще.

Нами рассмотрены внутрипроизводственные технико-экономические проблемы создания и внедрения ГПС. Обратив внима­ние на макроэкономические проблемы, на влияние «внешней сре­ды», можно сделать вывод, что в настоящее время в Беларуси не лучший период для эффективного развития гибкого производства. Основная причина современного экономического кризиса в Республике Беларусь заключена в отставании развития технологий из-за постоянного недофинансирования инвестиционного процесса, со­стояние которого можно охарактеризовать как «дистрофия инвес­тиций»- болезнь застарелая, хроническая для всей экономики.

Перспективы развития ГПС связаны со все более масштаб­ной интеграцией в составе одной системы различных производ­ственных функций и полной передачей этих функций под контро­лируемое управление от ЭВМ. Такая концепция может быть реализована в XXI веке. Это объясняется тем, что реализовать ее можно только на новейшей технологии вычислительной техники, в частности, на ЭВМ пятого поколения, базирующихся на принципах искусственного интеллекта, развитых средствах обработки Графической и речевой информации, лазерной и другой техники Измерения и т.д. Точные прогнозы развития ГПС затруднены из-за того, что часто ГПС включает разные по масштабу системы. Число станков может изменяться от 2 до 50 и больше, а стоимость, соответственно, колеблется от 0,5 до 50 млн. долл. По данным сред­них годовых приростов производства элементных технологий, ГПС и системы с ЧПУ имеют прирост, соответственно, 5,4 и 14,7 %. Основание гибкого производства осложняется тем, что развитие элементных технологий проходит неравномерно во времени и ча­сто от идеи до внедрения этап может занимать до 20 лет. При этом в последние годы ускорился процесс развития систем САД/САМ. Капитальные вложения на создание таких систем в передовых в техническом отношении странах составляют для машинострое­ния 35% от капиталовложений на вычислительную технику. Эта тенденция отражает крупные шаги, осуществляемые в направле­нии повышения эффективности и интеллектуальности возможно­стей будущих ГПС.

Так, например, в ФРГ объединение ЭВМ через вычисли­тельные сети обеспечивает интеграцию (информация и данные относятся к предприятию в целом). Это осуществляется через систему CIB (Computer Integrated Business) и с помощью компьютерно-интегрированного производства CIM (Computer Integrated Manufacturing).

Институт производственной техники и автоматизации им. Фраунхофера (1РА), в г. Штутгарте (ФРГ) разрабатывает основ­ные положения CIM независимо от изготовителей и коммерчес­ких поставщиков. Кроме того, институт решает локальные про­блемы предприятий, анализирует их, дает конкретные технологические решения или методические указания. При этом технологические процессы и их логические обоснования рассмат­риваются в непосредственной совокупности с процессами плани­рования и управления, вплоть до обеспечения качества продук­ции и технического обслуживания систем.

Структура промышленного предприятия - основной вопрос компьютерно-интегрированного производства (CIM). Если ранее структура предприятия ограничивалась только выбором линий, ориентированных на изготовление изделия, или выбором цеха, ориентированного на выполнение определенных функций, то теперь для каждой производственной ступени важно, должна

ли она выполняться в виде самостоятельного участка или скон­центрировать ряд рабочих операций в одной производственной ячейке (или ГПС).

Производственная структура определяет не только органи­зацию исполнения рабочих процессов, при ее разработке необхо­димо также учитывать спектр обрабатываемых деталей и много­кратное выполнение операций переналадки. Для этого применяется ЭВМ в информационном потоке, используются ро­боты в потоке материалов и гибкая автоматизация производствен­ных и сборочных ячеек.

В последние годы IPA разработал ряд методов анализа и оценки данных для решения указанных проблем. Например, про­граммы анализа позволяют специалистам, занятым процессами планирования, быстро находить альтернативные организационно-производственные концепции. Но разработка структуры не озна­чает объединения по соответствующим критериям, иногда суще­ствующие структуры приходится расчленять, вплоть до создания нового предприятия.

Условием успешного функционирования автоматизированно­го производства любой концепции является синхронизированный поток материалов и информации (без узких мест). В сложном кон­туре регулирования высокоавтоматизированных производственных систем со всеми компонентами потоков материалов и информации оптимальное решение может гарантировать использование взаимо­увязанного многолетнего опыта в области производства, сборки, техники транспортирования и складирования.

Достаточная гибкость производства достигается только в том случае, когда практически все возможные рабочие ситуации бу­дут учтены при планировании. Непрерывное повышение уровня автоматизации вызывает увеличение затрат на планирование. Не­обходимо постоянно согласовывать между собой производствен­ные мощности и время прохождения изделий, обеспечивать оптимальный режим производственных процессов, операций переналадки, плановый режим работы и ремонтов. Из-за сложно­сти указанных проблем применение статических методов иногда невозможно, а динамические методы требуют применения ЭВМ. Вспомогательные средства на базе ЭВМ для логического управления производственными системами, моделирования процессов (производства и определения эффективности оказались наиболее ^целесообразными инструментами планирования, с помощью ко­торых можно быстро получить точные решения.

В настоящее время с помощью моделирования оптимизи­руется работа такой сложной системы, как, например, комплекс­ный автомобильный завод.

Планирование и управление являются основой любого ре-биения автоматизированного производства на предприятиях ФРГ. Наряду с производственной мощностью учитываются такие фак­торы, как общее время прохождения изделий и наличие запасов материальных средств. Управление производством имеет целью не только определение загрузки станков, но также и снижение до минимума запасов материалов. Такая цель управления производ­ством требует новых методов программного планирования про­изводства, материального хозяйства, цехов и производственных данных. Все это вызывает изменение организации процесса. В качестве примера может служить система материального хозяй­ства фирмы «Фольксваген» (VW, ФРГ). Эта система предназначе­на для последовательного многоступенчатого производства и от­личается подходом к ограничению запасов материалов и загрузке производственных мощностей с учетом конкуренции. Основой системы является специально разработанный способ для опреде­ления количества изделий и исполнения заказов.

Сложные технические системы на уровне производственных ячеек требуют дополнительно интеллектуальных устройств управ­ления. Автоматизированные транспортные системы не решают всех проблем ГПС. Институт IPA работает над устранением узких мест между планированием, управлением производства и фактическим рабочим процессом. Созданы графические центральные щиты для управления складскими и цеховыми операциями, а также програм­мы управления в реальном масштабе времени для ГПС.

Прогрессивная система контроля автоматизированного про­изводства имеет данные о текущем состоянии всех компонентов и фиксирует состояние наиболее изнашивающихся частей. Одним из основополагающих принципов и необходимых предпосылок концепции адаптивной автоматизации в настоящее время является так называемая групповая технология, т.е. организация произ­водства путем выделения в отдельные технологические группы деталей, близких по морфологическим параметрам и размерам и, следовательно, требующих сходных методов обработки и обору­дования. В отличие от классических схем управления производ­ством, ориентированных не столько на изготовляемое изделие, сколько на типаж имеющегося оборудования, принципом созда­ния гибких систем является концентрация всех станков, предназ­наченных для полной или почти полной обработки деталей выб­ранной технологической группы, на одном участке и объединение их в единую транспортно-накопительную систему.

CIM-система должна быть такой же надежной, как и обслу­живающий персонал. Обучение и мотивация деятельности персо­нала является основным компонентом CIM-концепции. Чем выше степень автоматизации, тем значительнее человеческий фактор -информация, мотивация и квалификация персонала.

Базой для планирования и исполнения ОМ-систем являет­ся анализ информационного потока, а базой для реализации со­единенных систем - способные к интеграции ЭВМ, устройства управления и открытые системы средств математического обес­печения, которые должны приспосабливаться к развивающейся организационной структуре предприятия. Одной из возможнос­тей соединения между собой ЭВМ и устройств управления явля­ется локальная вычислительная сеть (LAN). Для стандартизиро­ванного отображения информации в сфере производства используется, например, МАР - способ (Manufacturing Automation Protocol), а для решения той же задачи в сфере управления - ТОР (Technical Office Protocol).

Важным для CIM-концепции является разделение знаний и труда между человеком (оценка информации) и ЭВМ (алгорит­мическая обработка и накопление информации). Различают вер­тикальную и горизонтальную коммуникации - в зависимости от направления информации и связи функций. Вертикальная комму­никация означает интеграцию иерархий принятия решений на предприятии в информационной системе: обмен информацией возможен непрерывно от верхней ступени в иерархии управле­ния до производственного процесса. Горизонтальная коммуникация означает передачу данных внутри иерархического уровня: обмен данными между сотрудниками отдела, в производственном процессе - между станками, складами и транспортными система­ми. Для безупречной CIM-концепции требуются горизонтальная интеграция иерархических уровней и уровней ЭВМ.

На основе вышеизложенного установлены условия для CIM-реализации:

- полезность заказчиков и, следовательно, получение прибыли;

- в центре всех обсуждений должен находиться человек, вли­яние человеческого фактора; только человек обеспечивает повы­шение производительности и гибкость производства;

- организация структуры и технологического процесса дол­жны проверяться при каждом существенном изменении производ­ственной программы и «глубины» производства;

- общее время изготовления изделий и использование про­изводственных мощностей по отношению к целям предприятия должны представлять оптимальное компромиссное решение;

- качество изделий должно обеспечиваться производством, а не проверяться после изготовления. Технический уровень техноло­гических установок и процессов должен непрерывно повышаться;

- стандартизация изделий и функций так же важна, как и стандартизация коммуникаций. Информация и коммуникации требуют ответственной функции управления;

- искусственный интеллект не может заменить знаний ква­лифицированного эксперта, но при этом он оказывает эффектив­ную помощь.

CIM -концепция является новой сферой для поставщиков ЭВМ и средств математического обеспечения. Целью этой кон­цепции является повышение эффективности процессов производ­ства и управления.

Некоторые исследователи утверждают, что новая концепция подвижности производства может привести к появлению «вирту­альных предприятий», когда несколько «подвижных» компаний объединяются на некоторое время для создания определенного сложного продукта, а затем это объединение распадается, и учас­тники переходят к новым проектам. Основа концепции - каждое предприятие будет делать то, что умеет лучше всего. Например,

одна компания будет делать проектирование изделий, другая за­нимается производством, третья - маркетингом и продажами.

Подтверждением того, что это не просто слова, являются раз­работка и внедрение в последние 15 лет в США и других странах новой системной безбумажной технологии CALS. Она представля­ет собой электронное описание процессов и изделий на протяже­нии всего их жизненного цикла. Это их виртуальная, безотказная и безошибочная проводка от разработки до утилизации. Изделия мо­гут создавать партнеры из разных стран, язык общения - стандар­ты, средство общения - мировые компьютерные сети. Система сама производит расчеты, которые укажут, где и что экономичнее произ­водить. Поэтому созданные в CALS изделия заведомо дешевле, имеют более высокие качественные характеристики.

В настоящее время безлюдность уже не рассматривается как основная техническая цель создания ГПС. Более перспективным, с точки зрения снижения эксплуатационных издержек, повыше­ния гибкости и особенно надежности работы ГПС, считается со­четание передовой технологии и высококвалифицированной ра­боты на более высокой ступени организации производства.

Для решения проблемы обеспечения аппаратной и про­граммной совместимости отдельных автоматизированных линий перспективным является создание эффективной государственной системы стандартизации и сертификации продукции (ISO-9000), которая позволяет: создать современную информационную базу для принятия перспективных и текущих решений в области науч­но-технической политики, структурной перестройки, маркетин­говой политики и т.п.; обеспечить высокое качество и научно-тех­нический уровень выпускаемой продукции посредством покупки лицензий и копирования лучших зарубежных образцов продук­ции, развития собственной исследовательской и проектной базы, системы стандартов и т.д.