Питеркин Сергей, Райтстеп. 2020г

Тезисы

1. 4я промышленная революция (Industry 4.0, цифровизация) подразумевает полную интеграцию:

• традиционных информационных потоков планирования и управления производства, поставок

• и средств исполнения: люди, машины и механизмы, оборудование…

… в кибер-физические системы. С основной направленностью, как это ни покажется кому то странным, не на «цифровизацию», а на то, для чего строились и строятся все такие системы управления, - на повышение экономической эффективности всей производственной системы.

2. При этом кибер-физические системы Industry 4.0 (далее – I4.0) основываются на фундаменте базовых процессов: проектирования (изделий), планирования/управления производством и поставками, уже используемых сейчас предприятиями (Industry 3.0 – I3.0.).

3. Очевидно, что без построения "фундамента" в виде I3.0, попытки внедрить элементыI 4.0 не приведут к принципиальным улучшениям. Т.к. будут работать на локальные области оптимизации, без синхронизации как со всей «горизонталью» цепочки поставок, так и с «вертикалью» этапов ЖЦ создания продукции для потребителя. Под ЖЦ имеется в виду жизненный цикл: «разработка -> испытания -> ввод в «серию» (не обязательно переход к массовому производству, но обязательно - вывод из стадии опытного) -> планирование, закупка, производство -> передача потребителю».

4. Таким образом, цифровизация традиционных российских предприятий должна обязательно и первостепенно включать построение фундамента (I3.0), с цифровизацией (внедрением элементов I3.5 и I4.0) только там, где необходимо и оправдано (в узких местах процесса создания продукции для потребителя). Так, как это делали западные, а теперь уже и восточные, более эффективные производства. В любом другом случае все это будет выглядеть (и выглядит, судя по регулярно рапортуемым «успехам» наших «цифровизирующихся» заводов. Причем, как правило, не на деньги частных собственников) как попытка...взобраться на 4й этаж со 2го по приставной лестнице, у которой нет перекладин вначале.

Ниже представлена концепция цифровизации (читай – повышения эффективности через цифровизацию) для производств, только осваивающих I3.0 и представляющих подавляющее большинство нашей промышленности.

Подробно рассматривается только область планирования и управления производством. Процессы разработки – не рассматриваются, процессы управления цепочками поставок – кратко.

ЭТАП 1: переход на уровень «базовой автоматизации управления» (Industry 3.0, уровень развития - 1990е гг)

Исходное состояние и задачи

Основная задача, стоящая на данном уровне развития, - переход на следующий уровень, I3.0. С уровня 2.0. (80е гг), на котором, если посмотреть реальности в глаза, находится большинство наших производств, разных размеров и форм собственности.

Для перехода необходимо решение следующих задач:

1)   сокращение непроизводительных трудозатрат на процессы управления. Таких, как (пример):

• затраты (время, человеко-часы работы) на ручное формирование/корректировка технологических составов изделий (ТСИ),

• затраты на ручное (полуручное) планирование, и постоянные исправления ошибок/корректировки ручных планов,

• затраты на ручной и/или неточный, неоперативный учет запасов, выполняемых и выполненных работ/поставок,

• «управление» производством и заказами через планерки, совещания, селекторы, «силой мозга» одного «эксперта» и пр.

2)   синхронизация планов и исполнения всей производственно-логистической цепочки. С постановкой правильных процессов и их автоматизацией. С "разрушением стен» между подразделениями и переделами цепочки поставки. "Стен", которые тормозят и искажают информационные и материальные потоки, проходящие сквозь предприятие.

Что и как улучшаем

Разработка продукции – переход на электронный состав

Кратко, это – переход к формализованным и автоматизированным процессам ведения электронного состава изделий. Для целей не только и не столько конструкторов и технологов, сколько для использования его (эл.состава) в системе планирования.

Уровень 1 – автоматизация внутренней и внешней цепочки поставок. До площадки/цеха/участка

ЦЕЛЬ: сделать синхронизированное производство, по всей внутренней (завода) и внешней (поставщики и кооператоры) цепочке поставки [1]. Поставив процессы и автоматизировав их с ИТ-системой класса "СПМ - Система Планирования и Мониторинга производства и поставок" (далее – СПМ).

Планирование (алгоритм планирования - "планировщик системы") работает на основании следующих групп данных. Не имея которые про планирование можно забыть…

1.   Что производим: состав изделия.

• Что из чего сделано (что во что входит) – количество.

• Как делаем: маршрут и технология обработки/сборки (что, где и как делаем).

• Временные характеристики (время производства, нормы).

Информация должна автоматически передаваться ("проецироваться") в СПМ из PDM, где ведутся электронные составы. Или вводиться непосредственно в СПМ.

 2.   Cредства производства.

• Люди, их квалификация и доступность (график работы, эффективность).

• Оборудование/обрабатывающие центры (ОЦ), их характеристики и доступность (график работы, эффективность).

Информация вводится в СПМ.

 3. Что для этого есть: материалы, ПКИ, ДСЕ, инструмент, оснастка, приспособления.

• Где, в каком месте цепочки (площадки, склады, цеха, участки, кладовые).

• В каком количестве.

• В каком статусе.

Информация вводится в СПМ.

На основе этих данных происходит расчет планов. Не по-периодно (раз в месяц, а по необходимости учета изменений, в идеале – ежесуточно или чаще. По результатам планирования (с учетом текущей ситуации, по фактическим достоверным данным указанных выше объектов и параметров), получаем следующую информацию (с точностью до площадки/цеха/участка).

• Что и когда надо запустить/закупить, что нужно выпустить. 

• Какие ресурсы необходимы, в т.ч. для закупки.

• Управление запуском: формирование Заказов поставщикам/кооператорам, формирование и запуск Производственных заданий (Производственных Партий), объектов управления всем циклом производства ДСЕ/сборок (это не сменно-суточные задания!).

Важно! Необходимо сразу проектировать систему (алгоритмы), помогающую и заставляющую работать «Точно Вовремя», «Точно в количестве». Так потом гораздо проще будет «поместить» эти базовые процессы в кибер-физическую систему I4.0. При этом, неточности указанной информации, связанные с неточностью данных и/или неоперативностью/ошибочностью ручного ввода, что неизбежно на данном, начальном, уровне развития – "гасить" буферами: времени (растянутые циклы), запасов (завышенные уровни покупных, НзП). С последующим их постепенным сокращением.

Уровень 2 – локальное (детализированное) планирование и автоматизация исполнения.

ЦЕЛЬ: реализовать продвинутые функции управления исполнением[2] синхронизированных позаказных планов, «сделанных» СПМ и «переданных» исполнителям.

1.    В качестве входных данных используется «нижний слой» (детальный) информации, необходимой для синхронизированного планирования (уровень исполнителей и, если возможно и необходимо, оборудования).

2.    После постановки и уверенной работы с 1м уровнем планирования – автоматизация 2го уровня планирования.

• Планирование и распределение работ в производстве, по рабочим, по оборудованию. С выдачей заданий в бумажной или электронной форме (сменно-суточные задания), с регистрацией их исполнения.

• Планирование и распределение работ по управлению запасами (склады, логистика), по кладовщикам, логистам (перевозчикам).

3.    Автоматизация учетных функций: быстрый и простой ввод в систему (цеховые киоски, планшеты, штрих-кодирование) информации о факте: что и когда сделано/скомплектовано, перемещено. 

Что должны получить

Как результат данного этапа: автоматизированная базовая производственная система, на уровне Industry 3.0. (см. рис. ниже)

СПМ, в смысле поставленных и автоматизированных процессов, на 1м («среднем») и 2м («детальном») уровнях планирования и мониторинга здесь является "становым хребтом" дальнейшей автоматизации и цифровизации. Без которого все остальные «цифровые» инициативы останутся попытками локальной оптимизации, НЕ повышающими эффективность всей производственной системы.

Проекты преобразований

Реализация данного этапа может быть осуществлена через следующие (лучше – отдельные), последовательные Проекты.

1.    Постановка СПМ (Системы Планирования и Мониторинга производства и снабжения[3]) для обеспечения синхронизированного планирования и исполнения планов по всей, внутренней и внешней цепочке поставок. Для следующих областей управления.

• ведение Позаказного (производственного) Состава Изделий,

• планирование производства и снабжения, до уровня цехо/участко-заходов (переделы /этапы производства/группы операций),

• управление поставками и кооперацией,

• управление складами (запасами) снабжения и производства,

• управление производством: запуск, учет хода производства (запуск/выпуск по участко/цехо-заходам), межучастковые/цеховые передачи,

• мониторинг.

2.    Постановка процессов продвинутого управления исполнением (СПМ-MES):

• внутрицеховое планирование:

• распределение работ по оборудованию/операторам,

• управление очередями,

• сменно-суточные задания,

• пооперационный учет, включая управление качеством.

3.    Автоматизация указанных выше учетных действий с использованием:

• штрихкодирования,

• цеховых терминалов.

ЭТАП 2. Следующий шаг к цифровизации – «Industry 3.0+»

Основные задачи здесь следующие.

1)   Сокращение непроизводительных трудозатрат процессов управления и сокращение некоторых традиционных ролей управления, как класса. Например, роли (и отделы): ПДО, ПДБ, ОГТ и/или цеховых технологов и нормировщиков.

2)   Сокращение «буферов» страховых запасов и времени.

3)   Сокращение себестоимости продукции.

4)   Создание базы («входа») для кибер-физической системы I4.0.

Подчеркнутым курсивом ниже отмечены процессы, которые уже с полным правом и без кавычек можно назвать (началом) цифровой трансформацией.

Шаг 1. Повышение точности планирования -  базовые данные

Цель: повысить точность планирования за счет повышения точности входящей информации, используемой при планировании.

1.   Что производим: состав изделия.

• Что из чего сделано (что во что входит) – количество.

• Как делаем: маршрут и технология обработки/сборки (что, где и как делаем).

• Временные характеристики (время производства, нормы).

Информация автоматически поступает в СПМ из PLM. Используются ИТ-системы управления изделиями и системы имитационного моделирования.

1. В PLM проводится разработка составов изделий (СИ), с учетом корректного описания технологических процессов (вплоть до обрабатывающих программ для станков с ЧПУ) и проверки технологичности производства.

2. Проверка СИ на возможность производства, определение стартовых времен, микро-логистика, выполняется в системе Имитационного моделирования.

2.   Средства производства.

• Люди, их квалификация и доступность (график работы, эффективность).

Информация доступна для СПМ в автоматическом режиме из следующих систем.

1.    Из ИТ-системы управления людскими ресурсами (плановое время работы).

2.    Из электронной проходной (в развитии – из продвинутой системы распознавания лиц).

3.    Информация по эффективности работы каждого сотрудника вычисляется на основе сбора план/факт информации по исполнению (из СПМ – см. ниже).

• Оборудование/обрабатывающие центры (ОЦ): их характеристики и доступность (график работы, эффективность). 

Автоматический цифровой сбор данных по загрузке и доступности оборудования.

1.    Информация по прогнозу планового времени работы оборудования: из системы ТОиР, системы управления обслуживанием (Predictive Maintenance), системы Цифровой двойник.

2.    По информации из ИТ-системы автоматизированного сбора данных о работе оборудования  - MDC (Machine Data Collection).

3.    Плюс - план/факт информация по исполнению (из СПМ – см. ниже).

 3.    Что для этого есть: материалы, ПКИ, ДСЕ, инструмент.

• Где.

• В каком количестве.

• В каком статусе. 

Система автоматического съема информации через RFID. Автоматический ввод в СПМ через считывание сигналов RFID с объектов учета и/или сопровождающих их документов. И/или, где необходимо и оправдано, автоматизированных складов.

Шаг 2. Повышение уровня детализации исполнения

По результатам планирования в СПМ.

1. Автоматическое создание рабочих заданий и передача исполнителям.

a. На личные мобильные устройства и/или цеховые/участковые экраны.

b. На единицы оборудования (очередь заданий и управляющих программ на ОЦ, технологические инструкции для сборки в электронном виде).

c. Задания на комплектацию производства/перемещения между складами/цехами/участками:

• автоматизированные задания на автоматизированные склады (при наличии и целесообразности их использования),

• и/или - задания на комплектацию/перемещения в электронном виде исполнителям, личные мобильные устройства,

• и/или после – автоматизированная доставка (роботы-тележки),

• на уровне цеха, участка, рабочего.

d. На оборудование.

По результатам исполнения.

2.    Автоматизированный съем факта исполнения рабочих заданий.

a.    С оборудования – по завершении обработки/этапов обработки.

b.    С автоматизированных складов/тележек, о перемещении между складами/участками/цехами.

c.    С видеокамер – о начале/завершении процесса производства/сборки (технология пока под вопросом…)

Комментарий

На уровне интеграции системы продвинутого управления исполнением (MES), могут быть также цифровизированы следующие процессы (если они узкие места производства!)

• Автоматическое управление инструментом - калибровка, настройка уровня усилий, съем факта.

• Интеграция с лабораторными системами – информация о качестве.

• Интеграция с системой распознавания лиц – фактическая информация о начале/завершении производства.

• Съемка перемещений сотрудников, с автоформированием профиля движений и расчетом производительных и лишних…

• и др.

Шаг 3. Повышение точности планирования – план/факт

Повышение точности планирования на счет Автокалибровки[4] систем планирования и исполнения.

1.    Используем план/факт информацию из п2. Шага 2.

2.    Используем информацию по фактической работе/OEE оборудования.

3.    Корректируем плановые данные (в СИ, времена производства, перемещения и пр.).

• Собираем и предварительно очищаем фактические данные.

• Алгоритмически (в т.ч. с алгоритмами работы c Big Data и AI) рассчитываем новые плановые данные.

• Алгоритмически (массово, выборочно, условно) замещаем.

4.    Далее - очередной автоматический цикл планирования/исполнения/корректировки данных.

Комментарий. Повышение уровня детализации процессов исполнения, т.е. полная автоматизация процессов комплектации/перемещений/обработки – практически есть «вход» в Кибер-физическую систему (КФС) реального цифрового завода.

Очевидно, что следующий этап, собственно работа КФС возможна только после реализации  СПМ с обратной связью, как представлено выше.

Проекты преобразования

Реализация данного шага к I4.0 может быть осуществлена через следующие проекты.

1. Реализация процессов PLM, включая систему имитационного моделирования.

• моделирование производства и логистики завода,

• моделирование производства изделий, с минимизацией времени/себестоимости.

2. Цифровой двойник производства. Возможно пересечение с п.1.

3. ТОиР:

• учет оборудования, съем факта работы/простоев (с использованием данных MDC),

• расчет будущей эффективности, предсказание поломок, расчет графика ТОиР.

4.    HCM (Human Capital Management) - система управления кадрами:

• управление кадрами (продвинутые функции),

• сбор информации по выработке, расчет эффективности.

5.   MDC (Machine Data Collection):

• автоматизированный сбор / мониторинг информации о работе оборудования,

• расчет ОЕЕ с разными аналитиками.

6.    RFID: автоматический учет движений ТМЦ и любых других материальных объектов с использованием «маячков».

7. Автокалибровка: расчет плановых временных параметров изделий на основании план/факт отклонений.

Важно! Указанные выше проекты имеют смысл ТОЛЬКО при наличии централизованной общей «шины» управления (не столько программной, сколько логической) – СПМ на уровнях «Синхронизированное планирование» и «Продвинутое Исполнение». К которой присоединяются указанные выше локальные системы. И, за счет этого, начинающие работать не только для достижения локальных оптимумов, но и для принципиального точности и скорости обработки информации, и доведения его до уровня реальной КФС.

Этап 3. Industry 4.0 - цифровой завод

Задача:

1)   автоматизация (цифровизация) процессов планирования, учета и исполнения (роботизация: перемещений, обработки, сборки). Для всех процессов, где эти процессы можно автоматизировать и роботизировать. За счет этого - …

2)   - … практически полное устранение «прослойки» людей в процессах управления (ПДО, ПДБ, кладовщики и т.п.) через замыкание информационных и связанных с ними материальных потоков, на единицах оборудования.

Но при этом:

• «обслуживающий» системы (в т.ч. и СПМ) персонал – остается,

• процессы, связанные с управлением спросом, верхнеуровневым планированием/балансировкой, стратегическим взаимодействием с клиентами, поставщиками, кооператорами – (пока) остается за людьми.

Указанные выше задачи фактически описывают переход на уровень I4.0 – к функционированию кибер-физической системы цифрового завода. И решаются они через внедрение соответствующих инструментов, по сценариям и направлениям 1го и 2го этапа, описанным выше. Кратко, это следующие действия (далее применены общеизвестные для I4.0 англоязычные термины или сокращения, без расшифровки).

1. Сокращение циклов, ресурсоемкости и стоимости собственно процесса производства через преобразование физических потоков (все указанные ниже инструменты строго применяются только там, где целесообразно!).

• Моделирование новых процессов через средства Имитационного моделирования, Цифровые двойники, видео-съемки с анализом действий персонала с ее последующей оптимизацией.

• Роботизация/оптимизация процессов производства через: RPA, IoT, 3D печать.

• Оптимизация процессов производства (сборки) с участием людей, через: Cobot’ы, AR, VR

• Оптимизация микро-логистических процессов через: RFID, автоматизированные склады/роботизированные тележки/дроны.

2. Повышение эффективности работы оборудования через: Predictive Maintenance, IoT.

3. Максимизация точности учета (для синхронного точного планирования и оптимальной работы роботизированных по п1 средств производства) через средства: компьютерного зрения, носимые устройства и датчики.

4. Повышение эффективности внешней цепочки поставок через использование: Blockchain, SCM Control Tower.

Заключение

Компании, проектирующие и производящие в настоящее время аппаратные и программные средства цифровизации производства переживают сейчас "бум". И прежде всего потому, что хорошо спроектированные и сделанные цифровые инструменты, относительно легко и быстро внедряются и окупаются очень быстро. Мы со своего уровня, смотрим на это "разинув рты", и тоже хотим заскочить в этот поезд… С верой, что вот сейчас то мы всех сделаем…

Но, торопиться надо медленно. Роботизированная тележка, подвозящая комплектующие к роботизированному участку сборки, где немногочисленные операторы, в очках виртуальной реальности, собирают «с первого предъявления» все, как надо – это, безусловно, выглядит круто! Но задайтесь вопросом: кто, как и когда будет на нее грузить то, что нужно именно в этот момент времени? И кто, как и когда определит «этот момент»? Ежемесячное и неточное планирование, на основании ТСИ, ведущегося в Excel, и запасы из бухгалтерского ПО, - точно не тот "фундамент", на который можно "поставить роботов"… Индустрия 4.0 опирается на отлаженные процессы Индустрии 3.0, не 2.0. Поэтому - только последовательное эволюционное и итерационное развитие!

Расшифровки по сноскам в тексте

[1] Используются система/алгоритмы и процессы «среднего» (RCCP-MRP-CRP[1] - по общепринятой классической классификации MRP-II) уровня планирования и исполнения.

[2] Часто и неправильно это называют MES. Хотя MES – маркетинговое определение определенного класса ИТ-систем. Правильнее определять этот уровень как SFC (Shop Floor Control  - цеховое управление), по общепринятой классической классификации MRP-II. Это уровень, соответствующий «нижнему», детальному уровню планирования и исполнения. Тем не менее, для ясности в рамках данной статьи оставим его как MES.

[3] В данном контексте, СПМ можно назвать «Производственной ERP».

[4] "Автокалибровка систем планирования и исполнения". Хотя это - «всего-лишь» реализации классического алгоритма управления с обратной связью, технология автоматического и быстрого применения его для производственных систем - пока на уровне НИР. Но перспективы ее, и прежде всего, для наших производств – огромны!