Краткий обзор современных технологий

15.1. CALS-технологии в автоматизированном производстве

Технологии комплексной компьютеризации сфер промышленного производства, цель которых — унификация и стандартизация спецификаций промышленной продукции на всех этапах ее жизненного цикла, называют CALS-технологиями . Основные спецификации представлены проектной, технологической, производственной, маркетинговой, эксплуатационной документациями.

В основу CALS-технологии положен ряд стандартов (рис. 15.1).

В CALS-системах предусмотрены хранение, обработка и передача информации в компьютерных средах, оперативный доступ к данным в нужное время и в нужном месте. Терминология в области CALS еще окончательно не установилась. Так, первоначально аббревиатура "CALS" расшифровывалась как "Computer Aided Logistics Systems", т. е. "автоматизированная логистическая поддержка". Поскольку под логистикой обычно понимают дисциплину, посвященную вопросам снабжения и управления запасами, а функции CALS намного шире и связаны со всеми этапами жизненного цикла промышленных изделий, применяют и более соответствующую предмету расшифровку аббревиатуры "CALS" — Continuous Acquisition and Lifecycle Support. В русском языке понятию CALS соответствует ИПИ (информационная поддержка изделий) или КСПИ (Компьютерное Сопровождение и Поддержка Изделий).

Применение CALS-технологий позволяет существенно сократить объемы проектных работ, так как описания многих составных частей оборудования, машин и систем, проектировавшихся ранее, хранятся в унифицированных форматах данных сетевых серверов, доступных различного рода системы и среды, адаптации к меняющимся условиям эксплуатации, специализации проектных организаций и т. д.

Предполагается, что успех на рынке сложной технической продукции будет немыслим вне технологий CALS.

Развитие CALS-технологий должно привести к появлению так называемых виртуальных производств, в которых процесс создания спецификаций с информацией для программно управляемого технологического оборудования, достаточной для изготовления изделия, может быть распределен во времени и пространстве между многими организационно автономными проектными студиями. Среди несомненных достижений CALS-технологий следует отметить легкость распространения передовых проектных решений, возможность многократного воспроизведения частей проекта в новых разработках и др.

Построение открытых распределенных автоматизированных систем осуществляется для обеспечения единообразного описания и интерпретации данных, независимо от места и времени их получения в общей системе, имеющей масштабы вплоть до глобальных. Структура проектной, технологической и проектирования и управления составляющих в промышленности является основой современных CALS-технологий. Главная проблема их построения — эксплуатационная документация: языки ее представления должны быть стандартизованными. Тогда становится реальной успешная работа над общим проектом разных коллективов, разделенных во времени и пространстве и использующих разные CAE/CAD/CAM-системы.

Одна и та же конструкторская документация может быть применена многократно в разных проектах, а одна и та же технологическая документация — адаптирована к разным производственным условиям, что позволяет существенно сократить и удешевить общий цикл проектирования и производства. Кроме того, упрощается эксплуатация систем.

Таким образом, информационная интеграция является неотъемлемым свойством CALS-систем. Поэтому в основу CALS-технологий положен ряд стандартов, обеспечивающих такую интеграцию.

Важные проблемы, требующие решения при создании комплексных САПР, — управление сложностью проектов и интеграция ПО. Эти проблемы включают вопросы декомпозиции проектов, распараллеливания проектных работ, целостности данных, межпрограммных интерфейсов и др.

В настоящее время CALS-технологии рассматриваются как бизнес с высокими темпами роста и ключ к обеспечению успеха предприятий на внутреннем и внешнем рынках. Использование CALS-систем и логистики означает переход к новому образу и стилю ведения бизнеса в условиях рыночных отношений [1, 2].

CALS-технологии стали интенсивно развиваться в последнем десятилетии. В основе этого лежали следующие направления научно-технического прогресса:

Сама аббревиатура "CALS" используется около 20 лет, но смысловое содержание термина претерпело значительную эволюцию, в частности:

1985 г., Computer Aided of Logistics Support — компьютерная поддержка логических систем;

1988 г., Computer Aided Acquisition and Lifecycle — компьютерные поставки и поддержка жизненного цикла;

1993 г., Continual Aided Acquisition and Lifecycle — поддержка непрерывных поставок и жизненного цикла;

1995 г., Commerce at Light Speed — бизнес в высоком темпе;

1997 г., Continuous Acquisition and Lifecycle Support — непрерывная поддержка ЖЦ продукта.

Процесс построения четких определений в области CALS-технологий пока не завершен, терминологический словарь только готовится к выпуску, поэтому приводимые в настоящем учебнике формулировки нельзя считать стандартными.

Определение 1. CALS (Continuous Acquisition and Lifecycle Support — непрерывная поддержка жизненного цикла (ЖЦ) продукта) следует рассматривать как стратегию систематического повышения эффективности, производительности и рентабельности процессов хозяйственной деятельности предприятия. Это возможно за счет внедрения современных методов информационного взаимодействия участников ЖЦ продукта.

В "Проекте Руководства по применению CALS в НАТО", выпущенном 1 марта 2000 г., термин "CALS" (Continuous Acquisition and Life Cycle Support) определяется как "...совместная стратегия промышленности и правительства (государства), направленная на реинжиниринг (изменение, преобразование) существующих бизнес-процессов — в единый высокоавтоматизированный и интегрированный процесс управления жизненным циклом систем военного назначения". В данном контексте жизненный цикл (ЖЦ) включает в себя разработку, производство, применение и утилизацию военной системы.

В дословном переводе аббревиатура "CALS" означает "непрерывность поставок продукции и поддержки ее жизненного цикла". "Непрерывность поставок" требует и подразумевает оптимизацию процессов взаимодействия "заказчика и поставщика" в ходе разработки, проектирования и производства сложной продукции, срок жизни которой с учетом различных модернизаций составляет десятки лет. Для обеспечения эффективности, а также сокращения затрат средств и времени процесс взаимодействия заказчика и поставщика должен быть действительно непрерывным.

Вторая часть определения CALS — "поддержка жизненного цикла" — заключается в оптимизации процессов обслуживания, ремонта, снабжения запасными частями и модернизации. Поскольку затраты на поддержку сложного наукоемкого изделия в работоспособном состоянии часто равны или превышают затраты на его приобретение, принципиальное сокращение "стоимости владения" обеспечивается инвестициями в создание системы поддержки жизненного цикла.

Целью применения CALS-технологий как инструмента организации и информационной поддержки всех участников создания производства и пользования продуктом является повышение эффективности их деятельности. Это возможно за счет ускорения процессов исследования и разработки продукции, придания изделию новых свойств, сокращения издержек в процессах производства и эксплуатации продукции, повышения уровня сервиса в процессах ее эксплуатации и технического обслуживания.

Стратегия CALS объединяет в себе:

Определение 2. CALS-система представляет собой программно-технический комплекс в виде интегрированных информационных технологий поддержки всех этапов ЖЦ продукции, соответствующих требованиям CALS-стандартов.

Наиболее важными аспектами при рассмотрении научно-методической, программно-технической и нормативно-правовой сторон CALS-технологий являются: функциональное моделирование бизнес-процессов, технологии анализа и реинжиниринга, виртуальные предприятия и многопрофильные коллективы, информационная инфраструктура, нормативная документация.

В большинстве предприятий существуют "островки" автоматизации в виде разобщенных автоматизированных систем САПР, АРМ, АСУТП и др. Дальнейший количественный рост "островковой" автоматизации без интеграции информационных технологий мало перспективен. Вместе с тем замена всех используемых систем требует огромных материальных затрат и обычно нецелесообразна. Разумнее создавать информационную инфраструктуру, в рамках которой существующие автоматизированные системы объединяются и интегрируются, а там, где необходимо, дополняются новыми технологиями.

Построение такой информационной инфраструктуры начинается с инвентаризации и анализа всех существующих автоматизированных систем. При этом определяется, на каком этапе развития в данный момент находятся автоматизированные системы; какие системы надо сохранить, какие заменить и какие — заново разработать.

В ходе анализа надо выяснить текущее состояние информационных технологий, используемых участниками предполагаемого виртуального предприятия, учесть планы партнеров, их подходы к стандартизации.

Обычно выявляется большой объем данных, сохраняемых на бумажных носителях, которые следует перенести в электронную среду. Надо рассмотреть целесообразность такого преобразования и определить, какая информация, в каком объеме, в какой форме и каким способом будет передаваться в рамках единого информационного пространства.

На основе анализа решаются задачи проектирования архитектуры CALS-системы. Проектирование архитектуры предполагает определение аппаратных средств, сетевой инфраструктуры, ПО, необходимого для поддержки усовершенствованных процессов и нового стиля работы.

При этом большое внимание следует уделить:

Разрабатываемая архитектура должна учитывать быстрое развитие ИТ и технологий коммуникаций, которые изменяются в высоком темпе. Примерно за четыре года меняются три поколения ПК и соответствующее ПО. Поэтому надо обеспечить максимальную гибкость архитектуры, например путем применения открытых систем и стандартных промышленных решений за счет отказа от сильно индивидуализированных специальных решений. Надо постоянно отслеживать и пересматривать архитектуру, чтобы учесть новые разработки с максимальной эффективностью.

При создании единого информационного пространства и использовании CALS-технологий большое значение приобретают вопросы защиты информации.

Большинство предприятий совместно используют информацию в электронном виде, обмениваются информацией с заказчиками, поставщиками, партнерами, которые могут быть географически рассеяны. Обмен информацией происходит на всех этапах ЖЦ продукта, в том числе при проектировании, изготовлении и эксплуатации.

Тесные связи с внешними участниками увеличивают риски информационной безопасности, а также гарантии целостности и надежности используемой информации. Особенно это актуально для виртуальных предприятий.

Часть информации представляет коммерческую, а иногда и государственную тайну и попадает под действие нормативных актов РФ о защите информации. Для многих организаций информация является важным ресурсом, при запросах требуется получать достоверные данные.

Политика информационной безопасности должна учитывать возможность случайных или преднамеренных угроз, которые могут исходить как из внутренних, так и из внешних источников. Затраты для обеспечения информационной безопасности и меры защиты должны быть соразмерны уровню существующих рисков, их возможного воздействия на бизнес.

15.2. Технологии беспроводной связи

Например, технология Bluetooth предназначена для беспроводного объединения технических средств ИТ и создания небольших локальных сетей [36]. Технология использует небольшие приемопередатчики малого радиуса действия, которые непосредственно встраиваются в устройство или подключаются через свободный порт (или PC-карту). Приемопередатчики работают в полосе частот ISM (полоса промышленного, научного и медицинского применения) 2402...2480 МГц. Радиосвязь обеспечивается в радиусе 10 метров, причем не обязательно в зоне прямой видимости — между соединяемыми устройствами могут быть стены и другие препятствия. В настоящее время создаются средства для увеличения дальности связи до 100 метров.

Радиоканал обеспечивает скорость передачи данных 721 Кбит/с, а также передачу трех голосовых каналов.

Для обеспечения надежной работы технология Bluetooth использует скачкообразную перестройку частоты (FHSS) с расширением спектра. Передатчик переходит с одной частоты на другую по алгоритму, использующему псевдослучайные числа, скорость перестройки — 1600 скачков/с. Режим работы — дуплексный с временным разделением (TDD). Временные интервалы (Time Slots) развертываются для синхронных пакетов, каждый из которых передается на своей частоте радиосигнала.

Технология предусматривает простую интеграцию с TCP/IP. Каждое устройство имеет уникальный 48-битовый сетевой адрес, совместимый с форматом стандарта локальных сетей IEEE 802.

Выделяют 3 класса модулей Bluetooth по мощности излучения: класс 1-100 Вт, класс 2-2,5 Вт и класс 3-1 МВт.

В ближайшее время ожидается появление на рынке принтеров, клавиатур и других периферийных устройств, работающих по технологии Bluetooth.

Разработан стандарт Bluetooth 1.0b, который устанавливает требования к беспроводной связи на небольшие расстояния (до 10 метров с возможностью расширения до 100 м) в нелицензируемом диапазоне 2,45 ГГц. Для создания и отладки устройств Bluetooth фирма Philips выпускает специальные наборы разработчика — Blueberry Developers Kit for Bluetooth Applications. Набор включает материнскую плату, содержащую в себе коммутационные интерфейсы, элементы контроля и управления, разъемы для подключения дочерних плат и дочерние платы с установленными на них RF-модулем и Baseband-контроллером. Такой набор позволяет разработчикам, не меняя конфигурации материнской платы, испытывать различные комбинации контроллеров и трансиверов.

В комплект поставки входят компакт-диск, который помимо документации содержит два пакета программ: загрузчик Blue Star для программирования внутренней и дополнительной flash-памяти контроллера и программа тестирования Blue Bird для проверки работоспособности устройства в целом. Технология Bluetooth выгодно отличается от других технологий следующими свойствами:

Таким образом, с помощью технологий Bluetooth в единую систему можно объединить самые разные устройства на основе высокоскоростной сети обмена данными как цифровой информации, так и речи. Это происходит без вмешательства со стороны пользователя и открывает ему широкие коммуникационные возможности, позволяющие в любом месте подключиться к сети сотовой связи, подсоединив свой ноутбук к периферийным устройствам ввода/вывода, обеспечить голосовую связь или передачу данных на небольшие расстояния.

В перспективе технология позволит объединять любые электронные устройства, вплоть до холодильников, стиральных машин, микроволновых печей, отопительных систем и дверных замков.

Другими технологиями беспроводной связи являются IrDA (инфракрасная связь), Home RF, IEEE 802-11.

15.3. CAN-технологии

CAN-технологии (Controller Area Network), включающие широкий класс программных, схемотехнических и алгоритмических решений, представляют собой промышленные сети для применения в распределенных системах управления, которые работают в режиме "жесткого" реального времени со скоростью передачи до 1 Мбит/с. Технология CAN-bus создана фирмой Bosh в середине 1980-х годов и первоначально широко применялась в немецкоговорящих странах. В настоящее время CAN-технологии широко используются индустриально развитыми странами во всех стратегических областях промышленности, автомобильном и железнодорожном транспорте, авиации, машиностроении, энергетике, промышленной автоматизации и др.

Для применения CAN-bus выпускается достаточный набор компонентов — интеллектуальных датчиков, CAN-контроллеров, программных средств и т. д., разработаны стандарты и учебно-методическая литература. Координацию работ в мировом масштабе по разработке и внедрению CAN-технологий осуществляет коммерческая международная организация CAN in Automation (CiA) [68].

Работы по использованию и развитию CAN-технологий проводятся в следующих направлениях:

В разработке и внедрении CAN-технологий участвуют отечественные фирмы ООО "Марафон" (г. Москва), ООО "Дейтамикро" (г. Таганрог), ЗАО "ЭлеСи" (г. Томск).

15.4. STEP-технология

Структура стандартов STEP

Построение распределенных АС для проектирования и управления в промышленности, взаимодействующих друг с другом в едином информационном пространстве, составляет основу современных CALS-технологий. В CALS-технологиях необходимо обеспечить единообразное описание и интерпретацию данных, независимо от места и времени их получения в общей системе, имеющей масштабы вплоть до глобальных. Структура проектной, технологической и эксплуатационной документаций, языки ее представления должны быть стандартизованными. Тогда становится реальной успешная работа над общим проектом разных коллективов, разделенных во времени и пространстве и использующих разные CAE/CAD/CAM-системы. Одна и та же проектная документация может быть использована многократно в разных проектах, а одна и та же технологическая документация — в разных производственных условиях, что существенно сокращает и удешевляет общий цикл проектирования и производства, а также упрощает эксплуатацию систем.

Эти цели поставлены при разработке стандартов STEP. К их разработке под эгидой ISO привлечен ряд ведущих специалистов фирм в разных отраслях промышленности. Совокупность стандартов STEP составляет основу CALS-технологий.

Единообразная форма описаний данных о промышленной продукции обеспечивается введением в STEP языка Express, инвариантного к приложениям. Стандарты STEP не отрицают, а развивают методику информационного моделирования IDEFIX и предполагают возможность совместного использования с методикой функционального проектирования IDEF0 и рядом других международных стандартов (например, со стандартами ISO P_Lib, Mandate, SGML, CDBF и др.).

В STEP используются следующие основные понятия:

STEP состоит из ряда томов. Тома имеют свои номера N и обозначаются как "часть N" или ISO 10303-N.

Приведем краткую характеристику следующих основных групп томов.

Методы описания

Первая группа документов — тома 11...19 — отведена для описания диалектов языка Express.

N = 11: Express language reference manual. Основное руководство по языку Express. Содержит также описания расширения Express-C базового языка и графического варианта языка Express-G. Базовый язык приспособлен для описания и передачи статических свойств объектов приложений, т. е. параметров структур и ограничений. Поэтому Express-C включает средства описания динамических свойств объектов (добавлено описание событий и транзакций). Для наглядности представления языковых конструкций в Express предусмотрены графические средства изображения моделей, в качестве которых может использоваться специальное дополнение Express-G (графический Express). Express-G — язык диаграмм, напоминающий язык описания информационных моделей в методике IDEF1X.

N = 12: Express-I Language Reference Manual Express-I — расширение языка, предназначенное для описания отдельных экземпляров данных.

N = 14: Express-X — дополнение к языку Express, применяемое для описания соответствий между типами данных в заданной исходной Express-схеме и создаваемыми новыми ее вариантами (views); в качестве views могут использоваться форматы с описанием того же множества сущностей, что и в Express-схеме, формат IGES.

Предлагаются и другие дополнения, относящиеся к следующим диалектам языка Express:

Для возможности применения языка Express должны быть разработаны методы реализации (Implementation Methods), которые могут быть представлены средствами файлового взаимодействия, построением БД, интерфейсом с языками программирования.

Методы реализации

Вторую группу (тома 21...29) называют "Методы реализации", она служит для межпрограммного информационного обмена между прикладными системами в STEP-среде. Предусмотрены межпрограммные связи с помощью обменного файла и доступа к БД.

N=21: Clear Text Encoding of the Exchange Structure (physical transfer file format); стандарт устанавливает правила оформления обменного файла. Обменный файл играет в STEP важную роль; если собственно на языке Express определены сущности, то именно в обменном файле задаются экземпляры этих сущностей. Прикладные программы для связи со STEP-средой должны читать и генерировать обменные файлы.

N=22: Standard Data Access Interface Specification; содержит описание SDA1 — системы представления данных и доступа к данным конкретных прикладных систем (чаще всего это CAD/CAM-системы). Данные, участвующие в межпрограммных связях, образуют SDAI-модели. В SDAI-системе предусматривается компилятор кода, конвертирующего эти модели в SDAI-базу данных, а также функции обращения к этой базе данных. Возможно непосредственное построение прикладных систем, работающих с SDAI-базой данных.

Тома 23...29 устанавливают правила обращения к данным в SDAI-базе данных на языках программирования C++, С, Java, на языке передачи данных в системах распределенных вычислений IDL, языке разметки XML.

Контрольные вопросы и упражнения