Совместно с компанией АСКОН Университет ИТМО постепенно преобразует учебное производство в умную фабрику. Ремонт учебных помещений почти закончен, идет подготовка к обновлению производственных. Оборудование частично установлено, и на ближайшее время перед студентами и магистрантами "промышленных" учебных программ поставлена задача внедрения специализированного софта для управления производством и объединения всех компонент в общую цифровую среду. Созданная таким образом лаборатория поможет не только обучать новые кадры, но и разрабатывать новые подходы к совершенствованию производственных процессов.

Своеобразным символом и материализованной целью проекта стал макет учебного производства, представленный компанией АСКОН на выставке Иннопром 2023.

Рассказ об учебно-научно-производственном центре “Цифровые промышленные технологии” начнем издалека: с задач самой отрасли, о которых мы поговорили с Михаилом Пономаренко, аспирантом ИТМО и руководителем направления производственных решений компании АСКОН и Юрием Андреевым, руководителем центра "Цифровые промышленные технологии" ИТМО и магистерской программы "Цифровые технологии в производстве".

Когда и почему производство становится умным

Промышленное производство развивается по пути постепенной оптимизации. 

Как оптимизация выглядела на практике раньше? Специалисты предприятия видели узкое место в производственном процессе, анализировали ситуацию и принимали решение о дозакупке, например, трех новых станков, расширяющих возможности линии.

Сейчас этот путь по ряду причин недоступен. С одной стороны, из-за последних событий закупка оборудования происходит сложнее и дольше. Некоторое оборудование купить в принципе невозможно, другое же доступно только по схемам серого и параллельного импорта, а это растягивает сроки обновления. С другой стороны, конкуренция и требования к качеству поднимают вопрос эффективности производства в целом. А здесь уже простым расширением парка станков не обойтись. Необходимо оптимизировать процессы ― думать о том, как заставить существующее оборудование приносить больше пользы.

Чтобы решить эту задачу, требуется собирать больше информации о производственном процессе, нежели просто объем поступающего сырья и итоговое количество продукции. Необходимо в режиме реального времени получать и анализировать данные по всему процессу, от момента подачи требований и проектирования изделий до их отгрузки заказчику. Всю эту аналитику предоставляет специализированное ПО для управления производством. 

Проблема в том, что наработанных методик внедрения управления производством, которые были бы универсальны для всех существующих заводов, не существует. Автоматизация каждого завода ― отдельный длительный проект со своими ограничениями и подводными камнями. Для его реализации нужны не только ресурсы, но и специалисты, которые понимают суть подобных решений (а иногда могут их дорабатывать).

К сожалению, сейчас в России таких специалистов очень мало. На эту роль не подходят люди, просто научившиеся писать код. Для успешного решения производственных задач необходимо глубокое понимание процессов и технологий, а вместе с тем и основ промышленного планирования. 

Почему внедряя цифровое управление, нельзя идти "в лоб"

Автоматизация реально работающего производства ― задача непростая. По этому пути идет все больше предприятий, но все они сталкиваются с одними и теми же проблемами.

Очевидная сложность заключается в том, что на многих заводах десятилетиями работает старое оборудование, которое нельзя просто так подключить в информационную систему к ПО для управления заводом. Более свежее оборудование ― это набор разнообразных технологий и стандартов, которые нужно еще как-то подружить между собой, а заодно и с внедряемым программным обеспечением. Но это все частные и в общем-то решаемые задачи. Самая главная сложность ― нет единой методики внедрения комплексных средств автоматизации, используя которые можно было бы провести преобразования за понятное предсказуемое время. Как нет и учебно-методических материалов, которые позволили бы быстро переобучить персонал предприятия новым подходам к организации работы.

Как правило, внедрение средств автоматизации разбивается на этапы. Причем, впереди проекта обычно конструкторы, технологи и логистика, поскольку в этих областях решаются конкретные частные (и очень понятные) задачи, да и преимущества от внедрения автоматизации достигаются сравнительно легко. Производство чаще всего автоматизируется в самом конце ― самый сложный и неочевидный этап, который требует массу времени на внедрение. В подобных проектах обычно огромное количество неизвестных, а двигаться вперед приходится маленькими шагами, на которые уходят годы.

Чтобы разработать более быстрые методики и подходы к автоматизации именно производства, нужны эксперименты. Но их почти невозможно проводить на работающих предприятиях. Нельзя остановить производственную линию, чтобы проверить ту или иную гипотезу, поскольку часы простоя ― это колоссальные потери. Прежде чем идти на такие затраты, гипотезы логично проверять в искусственных условиях ― в лаборатории или на учебном предприятии, где уровень финансовых рисков гораздо ниже.

Одно из таких учебных производств есть и в ИТМО на базе учебно-научно-производственного центра “Цифровые промышленные технологии”, а студенты и магистранты университета, получив глубокие знания по производственным процессам, готовы экспериментировать, предлагать новые идеи и разрабатывать подходы к автоматизации промышленности. С этой начальной точки и стартовала идея партнерства компании АСКОН как производителя софта и интегратора систем автоматизации производства и Университета ИТМО, подготавливающего кадры для реализации подобных проектов.

Партнерство АСКОН и ИТМО в деталях

АСКОН со своей стороны предоставляет софт ― компания создала собственное математическое ядро C3D и производит не только известный всем КОМПАС-3D, но и другие программные продукты, которые могут стать основой полного цикла производства на умной фабрике ― MES-система планирования и управления производством  "Гольфстрим", система управления инженерными данными и жизненным циклом изделия "Лоцман:PLM", система управления нормативно-справочной информацией предприятия "Полином:MDM" и система проектирования технологический процессов “Вертикаль”. Фактически программное обеспечение позволяет выстроить тот самый сквозной процесс производства от конструктора и постановки требований (создание моделей, расчеты) через этап технологической подготовки производства (проектирование технологии изготовление, программы для станков с ЧПУ) к самому производству, где можно планировать и управлять процессами. В итоге можно перейти к созданию цифрового двойника посредством визуализации этих процессов и связи с оборудованием и станками.

ИТМО предоставляет помещения и станки, а самое главное ― студентов, магистрантов и аспирантов, которые уже погрузились в тему производственных процессов и готовы разрабатывать те самые методики внедрения. А заодно и подходы к обучению персонала предприятий новым принципам работы. Первый комплект таких учебно-методических материалов уже разработан, но предстоящий объем работ еще огромен.

На данный момент проект еще на начальной стадии реализации. До конца лета в корпусе университета на переулке Гривцова будет идти ремонт, но уже с сентября цех включится в учебный процесс.

Часть оборудования уже закуплена и установлена. Здесь есть термопластавтомат, который позволяет отливать детали из полимерных материалов, в том числе для оптических применений, токарно-фрезерная группа: токарные, фрезерные и ленточнопильный станки, а также трехкоординатный электроэрозионный проволочный станок. Кроме того, есть контрольно-измерительное оборудование, климатическая камера и установка для виброиспытаний. В ближайшей перспективе появится дополнительное оборудование.

С сентября стартует внедрение программных продуктов АСКОН. В ИТМО уже используется КОМПАС-3D, ЛОЦМАН:PLM и другие продукты компании, но необходимо внедрить систему управления производством, которая позволит планировать, выдавать задания, управлять технологической подготовкой и в целом связывать уже используемое ПО и железо в единую структуру. 

В перспективе это будет полностью автоматизированное производство, построенное на продуктах АСКОН. Конструкторы будут работать в КОМПАС-3D, технологи ― писать управляющие программы для станков в САМ системе внутри КОМПАС-3D (ADEM CAM). При необходимости программные модули позволят сразу же считать прочность или гидро- и газодинамику изделий. После этого задание будет отправляться через MES-систему "Гольфстрим" на станок для производства объекта. При этом система автоматизации производства будет в реальном времени отображать данные со станков, полученные через систему интернета вещей WINNUM ― работают ли станки, в каком режиме, как обрабатывается текущая управляющая программа.

Умное производство должно будет работать над реальными задачами  в рамках реализуемых НИР и ОКР университетом, а также выполнять внешние заказы на изготовления деталей и изделий. Здесь доступно изготовление прецизионных деталей, сборка и покраска изделий, проведение испытаний в климатической камере и на вибростенде. В перспективе будут доступны термообработка и сварка.

Производство на Гривцова должно стать не только учебной площадкой, но и лабораторией, где можно будет демонстрировать, как автоматизация работает на практике, а заодно проверять гипотезы относительно оптимизации промышленных процессов, не затрагивая реальных заказчиков. К примеру, здесь можно будет экспериментировать с тем, насколько перспективно использовать в процессе планирования производства методы искусственного интеллекта.

Знания, полученные в ходе подобных экспериментов, позволяют эффективнее проводить автоматизацию реальных производств и дополнить учебный процесс, подкрепить теорию практикой.

Учебно-научно-производственный центр доступен всем факультетам ИТМО, однако перечисленные технологии в реальных производственных условиях рассматриваются на учебных программах. Учебное производство доступно магистрантам и аспирантам факультета систем управления и робототехники на программах "Цифровые технологии в производстве" и "Цифровые системы управления". В рамках этих программ обучение переходит с простых вещей, вроде написания циклограмм для робототехнических комплексов, к более сложным задачам ― созданию цифровых двойников работающих производственных участков. 

Помимо учебного производства, студенты этих программ посещают площадки технологических партнеров ― компаний "Диаконт", "Техприбор", "НТЦ "Эталон", "Би Питрон", "Северсталь". На таких занятиях уже во время обучения магистранты могут решать реальные задачи. Например, на заводе Schneider Electric студенты, магистранты и аспиранты ИТМО помогли разработать алгоритм для выявления проблем с подачей проволоки у одного из сварочных роботов. С помощью этого алгоритма проблема фиксировалась прямо во время производства, не допуская брака. А в "НТЦ "Эталон" студенты и аспиранты участвуют в разработке современных средств неразрушающего контроля высокотехнологичной продукции аэрокосмической отрасли.

Имея возможность познакомиться с реальными производственными задачами, уже на первых курсах магистратуры обучающиеся получают приглашение на работу в организации-партнеры ― в отделы, занимающиеся автоматизацией производства. Им предстоит решать сложные задачи на стыке промышленности и ИТ, а знания, полученные в ИТМО, этому помогают. Таких специалистов ждут и в штате производителей программного обеспечения (не только АСКОН). Сейчас их услуги особенно востребованы, поскольку зарубежные производители ПО для автоматизации промышленности ушли из страны.

Интерактивный макет как отображение концепции

Презентационной моделью идеи стал демонстрационный макет учебного производства. Фактически, это точное отображение того, где с первого сентября начнется реализация учебного процесса.

Изначально макет создавался, чтобы демонстрировать на начальном уровне студентам, как работает учебное производство в целом: какое здесь установлено оборудование, каковы возможности предприятия, где и что расположено. Кстати, макет отрисован в КОМПАС-3D и полностью повторяет даже топологию помещений. 

В макете предусмотрен интерактив ― рассказывая о деталях производственного процесса, нужные элементы можно подсвечивать (это реализовано на базе Rasbery Pi). Естественно, использовать его предполагается только в рамках вводных лекций. Далее в рамках учебного процесса знания будут углубляться через курсы, посвященные конкретным программным продуктам (своих для технологов, конструкторов).

Интерактивный макет компания АСКОН показала на коллективном стенде инновационных промышленных проектов Минпромторга России в рамках выставки Иннопром 2023, проходившей в Екатеринбурге. Стенд посетил премьер-министр РФ Михаил Мишустин. В рамках выставки макет демонстрировал саму идею сквозного производственного процесса ― от проектирования до отгрузки с учетом различных технологий. Идея получила очень хороший отклик и в ближайшее время будет представлена на других промышленных выставках. 

Созданный макет, да и производство, которое он отображает ― это лишь один из первых шагов в развитие отрасли цифровых двойников и умного производства. Концепция, о которой только начали говорить около года назад, обрела физическое воплощение и будет развиваться дальше. А учебно-методическими комплектами, уже разработанными в рамках сотрудничества АСКОН и ИТМО, заинтересовались другие вузы страны, которые готовят кадры для промышленности, ― они также включаются сейчас в подготовку кадров для автоматизации производства.