A SZÁMÍTÓGÉPES TERMELÉSTERVEZÉS ALAPJAI

1. A SZÁMÍTÓGÉPES TERMELÉSTERVEZÉSALAPJAI Prof. Dr. Tóth Tibor– Dr. Hornyák Olivér – Buza Ákos Miskolci Egyetem HEFOP-3.3.1-P-2004-06-0012

2. A termelésinformatika integrált alkalmazási rendszerei Tóth Tibor a műszaki tudomány doktora egyetemi tanár Miskolci Egyetem

3. A termelésinformatika integrált alkalmazási rendszerei Alapfogalmak Informatika, termelésinformatika, integráció, alkalmazási rendszer Informatika: Az információ megszerzésével, továbbításával, tárolásával, feldolgozásával, megértésével és felhasználásával foglalkozó tudomány. Termelésinformatika: A termelési rendszerek és folyamatok számítógépes modellezésével, tervezésével és irányításával foglalkozó alkalmazott informatikai tudományterület. Integráció: Rendszerelemek koherens és kompatibilis összekapcsolása összetett (komplex) rendszer létrehozása céljából. Alkalmazási rendszer: Több, önálló alkalmazásból álló informatikai (hardver/szoftver) rendszer, amely alkalmas változatos, hierarchikusan és heterarchikusan csatolt, szakmailag definiált informatikai feladat-csoportok megoldására, hálózati és interaktív ember-gép környezetben.

4. A termelésinformatika integrált alkalmazási rendszerei A termelésinformatika tudományterületének fejlődése • 50-es évek: CAD rendszer elméleti megalapozás (MIT,USA) • 50-es évek: Az NC vezérlés kifejlesztése (MIT,USA) • 1962: Az APT nyelv szabványosítása • 70-es évek: Az IBM COPICS rendszer kifejlesztése • 70-es évek: A CAPP rendszerek elmélete kialakul • 1978: A CIM paradigma megalkotása (J. Harrington) • 70-es évek: FMS rendszerek, a rugalmas gyártás paradigmájának kialakulása • 1980: A MAP és az MMS iniciatíva megalkotása • 1984: Az MRP II koncepció megalkotása (MIT) • 1988: A DEC megalkotja a MES koncepciót • 90-es évek: Az ERP rendszerek kialakulása, az SAP sikerei • 90-es évek: Az integrált műszaki-üzleti adatbázis (Oracle) • 1995-2000: A virtuális vállalat (VE) és az Intranet paradigmáinak összekapcsolódása • 2000-: A Java technológia sikerei, az EAI paradigma Információ elmélet, Számítástudomány, Informatika, Alkalmazott informatika

5. A termelésinformatika integrált alkalmazási rendszerei Számítógéppel Integrált Gyártás (Computer Integrated Manufacturing) CIM

6. Vállalati modell Számítógépes alkalmazások Üzleti folyamatok, vállalatirányítás Termék- tervezés Techno-lógiai folyamat- tervezés Termelési folyamatok, gyártásirányítás A termelésinformatika integrált alkalmazási rendszerei Vállalati funkcionális modellek és számítógépes alkalmazási területek Integrált vállalatirányítási rendszer ERP Folyamat- tervező-rendszer CAPP Termelés- tervező rendszer PPS Termék-tervező rendszer CAD Termelés tervezés Termelés- tervezés Termelésirányító és végrehajtó rendszer MES

7. A termelésinformatika integrált alkalmazási rendszerei • Optimalizálás-elmélet • Feltételes szélsőérték feladatok • Lineáris programozás • Matematikai programozás • Dinamikus programozás (Bellman) • Játékelmélet (Neumann, Nash) • Gráfelmélet • Hozzárendelési feladatok • Szállítási feladatok • Particionálási feladatok • Keresési feladatok Termelésinformatikai alkalmazások elméleti háttere Matematika: operáció-kutatás, optimalizálás-elmélet, gráfelmélet, számítás- és algoritmus-elmélet, numerikus módszerek,

8. A termelésinformatika integrált alkalmazási rendszerei Termelésinformatikai alkalmazások elméleti háttere Informatika: információelmélet, programozás elmélet, AI módszerek, adatbázis elmélet, irányítás elmélet, hálózatelmélet • Mesterséges intelligencia (AI) módszerek • Logikai programozás (PROLOG) • Döntéselmélet, szakértő rendszerek • Evolúciós algoritmusok • Fuzzy-elmélet (Zadeh) • Korlátozás programozás (Constraint Programming) • Adatbázisok elmélete • Relációk elmélete • Adatmodell-elmélet (Codd törvények) • Tranzakció-elmélet (SQL) • Objektum-orientált rendszerek

9. A termelésinformatika integrált alkalmazási rendszerei Termelésinformatikai alkalmazások elméleti háttere Termelési rendszerek: vállalat modellezés (enterprise modeling) , termelési rendszerek elmélete, technológiai folyamatok tervezése • Termelési rendszerek elmélete • Termelési rendszerek modellezése és szimulációja • Aggregált termeléstervezés • Ütemezés-elmélet • Kooperatív rendszerek (Agent theory) • Logisztikai rendszerek • Technológiai folyamatok tervezése • Technológiai folyamattervezés elmélete • Automaták elmélete (CNC, PLC, ROC) • Rugalmas rendszerek elmélete (FMS) • Felügyelet és bizonytalanság kezelése

10. Termelési Menedzsment információs rendszer Beszállítói lánc Vásárlói kör Pénzügyi Marketing ERP menedzsment menedzsment komponensek komponensek komponensek CRM SCM MIS Termelési főterv Kapacitás- tervezés Termék- tervezés Technológiai NC Darabjegyzék- tervezés Projekt- tervezés CAE Anyag- Programozás folyamatok tervezése szükséglet CAPP BOM PP CAD Program tervezés MRP előkészítés Középtávú Ellenőrzés és Minőség- A termelés nyomon követése Termelési ütemezés DNC adatgyűjtés tevékenységek biztosítás MES irányítása SCADA CAQA PAC PDA SFC Szerszám- kezelési Rövidtávú rendszer ütemezés Minőség- Cellavezérlés, Rugalmas TMS PLC MA gépsor- vezérlés gyártó- szabályozás ROC CNC Gyártás rendszer SPC CC FMS A termelésinformatika integrált alkalmazási rendszerei Integrált alkalmazási rendszerek a mai termelés-informatikában

11. A termelésinformatika integrált alkalmazási rendszerei Az alkalmazás-fejlesztés fő szakaszai a termelésinformatikában • Követelmény-elemzés • Funkcionális tervezés • Matematikai modellezés • Algoritmus-tervezés • Adatmodell-tervezés • Input/Output specifikáció • Rendszerterv készítése • Programozás (Java, C++, MSVB, .Net) • Tesztelés, verifikáció, validálás.

12. A termelésinformatika integrált alkalmazási rendszerei Alkalmazásfejlesztő rendszerek Modellezés, megoldó „gépek”, megjelenítő eszközök (visualization) ILOG alkalmazásfejlesztő rendszer Modellezés Megoldó eljárás Alkalmazás Application

13. A termelésinformatika integrált alkalmazási rendszerei Egy projekt-szemléletű termeléstervező rendszer követelmény-elemzésének koncepciója

14. A termelésinformatika integrált alkalmazási rendszerei Egy termeléstervező rendszer funkcionális modellje

15. A termelésinformatika integrált alkalmazási rendszerei Egy intenzitás alapú termeléstervező rendszer matematikai modellje Intenzitás -korlátok A projekt-tevékenység időigénye A termelési tevékenység intenzitása Időegység A tevékenység időablaka A legkisebb időintervallumaz tevékenység elvégzésére Viszonylagos tevékenység intenzitás Optimalizálásifeladat Kapacitás-korlátok Súly-faktor Optimalizálási cél meghatározása min,

16. Project work for tender Detailed project planning Re-planning and rescheduling of projects Consistency checking HMI input file Loader Date base ERP Production Planning module Editor output file Model generation Scheduler engine Alternatives A termelésinformatika integrált alkalmazási rendszerei Egy projekt alapú termeléstervező rendszer koncepcionális rendszerterve

17. A termelésinformatika integrált alkalmazási rendszerei Egy termeléstervező rendszer interaktív ütemező felülete Alternatívák Projektek Azonosító Projekt feladatok Dátum vonal

18. A termelésinformatika integrált alkalmazási rendszerei Egy változó intenzitásútermelés tervező rendszer feladat ütemterve Feladatok munkaigénye Bizonytalan terhelés Projekt azonosítók Kapacitás hiány Aktuális dátum vonal

19. Szereplők: - Felhasználók (user) - Informatika-oszt. rendszergazda - Integrátor, karbantartó - Fejlesztők, szakértők - Tanácsadók Szolgáltatások: - Konfigurálás-menedzsment - Aktualizálás (up-grade, release mgmt.) - Változás menedzselés (change mgmt.) - Problémák megoldása - Hiba elhárítás (incident mgmt.) - Biztonság mgmt (security mgmt) - Vészhelyzet-kezelés - Auditálás - Fejlesztés Alkalmazás-szakértő Rendszer-integrátor Informatika-osztály ITSM cég Tanácsadó cég A termelésinformatika integrált alkalmazási rendszerei Alkalmazási rendszerek üzemeltetése, karbantartása modell eljárás szoftver ITSM Information Technology Service Management Felhasználók U … U

20. A termelésinformatika integrált alkalmazási rendszerei A termelésinformatika meghatározó tudósa, a tudományterület megteremtője Frederick Winslow Taylor 1856-1915 A termelési folyamatok tervezése és irányítása elméletének megalapozója. A tudományos termelés menedzsment megteremtője. Megalkotta a termelési rendszerek és folyamatok legalapvetőbb, ma is használt matematikai modelljeit. Kidolgozta a tömeggyártás elméletét és megvalósítható módszereit. Henry Ford-al a modern autógyártás egyik létrehozója.

21. A termelésinformatika integrált alkalmazási rendszerei A termelésinformatika néhány további nagy alakja Francois B. Vernadat Enterprise modeling and integration James Harrington Computer Integrated Manufacturing Carl Adam Petri Petri nets and models Eugene Merchant Computer Aided Engineering Andrew Kusiak Manufacturing Automation Sz. P. Mitrofanov Group technology G. K. Goranszkij Theory of process planning John E. Buzacott Stochastic models of manufacturing systems H.A. el-Maraghy Computer aided process planning John Little Modelling of queuing systems Herwart Opitz Theory of machine tools Gottfried Stute Theory of manufacturing automation Hans-J. Warnecke Theory of corporate planning and control H. Yoshikawa Computer Aided Design G. Tagutschi Modelling and planning of manufacturing systems Eliyahu M. Goldratt Theory of constraints Hatvany József Gyártórendszerek elmélete Márkus András Mesterséges intelligencia módszerek

22. A termelésinformatika integrált alkalmazási rendszerei Köszönöm Megtisztelő figyelmüket !

23. OLIVER

24. A gyártás fogalma A gyártás (szűkebb értelemben) az ipari termelés anyagainak alkatrészeinek, szerelvényeinek és késztermékeinek előállítására irányuló, műszaki-gazdasági tevékenység A gyártási folyamatok fő típusai: • A gyártás magában foglalja: • a gyártás előkészítését, az anyagellátást, raktározást, • a technológiai folyamatokat, • a gyártás szervezését, irányítását, ellenőrzését, • a gyártási minőség biztosítását, • az üzemfenntartást, a karbantartást.

25. Gyártásirányítás • Definíció: A gyártórendszer olyan gépekből, kiszolgáló berendezésekből és irányító rendszerből álló, komplex technológiai objektum, amely anyagi, energetikai és informatikai erőforrások felhasználásával, gyártási rendelések alapján félkész- vagy kész -termékeket állít elő. • Definíció: A gyártórendszerek irányítása (röviden a gyártásirányítás) olyan irányítási feladat, amely valós időben irányítja és felügyeli a gyártórendszerben zajló komplex gyártási folyamatokat. A gyártásirányítás az előre megtervezett és a gyártási programokban rögzített aktuális célokat igyekszik megvalósítani, alkalmazkodva a fellépő bizonytalanságokhoz és törekedve az eredmények adott feltételek (korlátozások) melletti optimalizálására.

26. Gyártórendszerek irányítása Háromirányú integráció: • A gyártási folyamatok szekvenciális, azaz időben egymás után következő műveleteinek esemény-vezérelt megvalósítása. • Egymás mellett, egyidejűleg (párhuzamosan) működő, gyártásirányítási feladatok összehangolása, szinkronizálása. • Egymás alá és/vagy fölérendelt, egymástól hierarchikusan függő, gyártásirányítási feladatok integrált kezelése.

27. A diszkrét gyártási folyamat fő részei

28. Gyártórendszer CNC megmunkáló központokból álló, automatizált, rugalmas gyártó rendszer. FMS. Magas raktár Automatizált magas raktár AGV robotkocsik Palettás készülékek Fúró-maró központok CNC vezérlés Automatikus szerszámtár Gyártásirányító rendszer Lokális hálózat LAN Minőségbiztosító rendszer CNC megmunkáló központok Robobotkocsi

29. Irányító rendszerek struktúrája • Centralizált • Hierarchikus • Heterarchikus • Holonikus

30. Gyártórendszerek informatikája A gyártásirányítás valós időben irányítja és felügyeli a gyártórendszerekben zajló gyártási folyamatokat. A gyártórendszerek irányításának hierarchiája ma általában négyszintű. 1.szint: Gyártórendszer vezérlők szintje (Manufacturing System Controller) (Műhelyirányítás (SFC), Rugalmas gyártórendszer irányítás (FMSC), stb.) 2.szint: Megmunkálórendszer vezérlők szintje(Machining System Controller) (Cellavezérlők (CC), Anyagmozgató-rendszer vezérlők (AGVC), Raktári rendszerek vezérlése (CAST), stb.). 3.szint: Munkahely- vagy gépvezérlők szintje ( Machine Controller) (Számjegyes vezérlők (CNC), Robotvezérlők (ROC), Mérőgépvezérlők (MMC), stb.). 4.szint: Folyamat-irányítók szintje (Process Controller)

31. SC A gyártásirányítás hierarchikus struktúrája Számítógépes SFC Gyártóüzem 4. szint üzemirányítás LAN 1 MES Gyártócella Cellavezérlő CC 3. szint LAN 2 Berendezés Munkahely 2. szint CNC vezérlő LAN 3 PAC Folyamatelem Folyamat Szenzor 1. szint Szervó vezérlő

32. Holonikus infrastruktúra Alkatrész- gyártás holon Menedzsment holon Logisztikai holon Szerelő holon Piaci környezet HOLON Információs áram Ember Vezérlés HOLON HOLON Funkció Anyagáram Holonikus gyártórendszer struktúrája

33. A gyártásirányítási szintek informatikai jellemzői

34. Számítógépes hálózatok a termelésben ARPANET logical map circa 1977 forrás:The Computer History Museum

35. Számítógépes hálózatok topológiája

36. Számítógépes hálózatok topológiája • Teljes rendszer:A teljes rendszer sok kábelt igényel. Nagy a redundanciája. Az elrendezés előnye a nagy megbízhatóság. • Sín topológia A sín elrendezés esetén a hálózatba kapcsolt gépek egyazon vezetéket használnak, köztük semmiféle speciális sorrend nem adható meg, sorosan kapcsolódnak. Az elrendezés hátránya, hogy vonalszakadás esetén az egész hálózat használhatatlanná válik. • Csillag topológiaA csillag elrendezés esetén a hálózatba kapcsolt gépek egyazon csomópontra csatlakoznak. Az elrendezés előnye, hogy vonalszakadás esetén csak az adott gép válik használhatatlanná, és nem az egész hálózat. A többi gép továbbra is tud kommunikálni egymással. • Gyűrű topológiaA gyűrű elrendezés esetén a hálózatba kapcsolt gépek egymást követő zárt láncba szerveződnek, így minden kapcsolódási ponthoz rendelhető egy előző és egy következő kapcsolódási elem. Előnye, hogy egyszeres vonalszakadás esetén a hálózat nem válik használhatatlanná és nincs leterhelt központi csomópont. Nagyobb hálózatok esetében kétszeres gyűrűt szoktak alkalmazni a biztonság növelése érdekében. • Fa strukúra: A fa rendszerben a csomópontok hierarchikus rendben csatlakoznak egy vagy több csomóponthoz, így alhálózatokat formálnak. Minden csomópont között csak egy útvonal van, amely kiesése az egész alhálózatot tönkreteszi, így hibatűrő kapcsolókat igényel. Előnye, hogy kis kábelezési költséggel nagy hálózatok is kialakíthatók.

37. Számítógépes hálózatok topológiája A nagy hálózatok alhálózatokba szervezhetők. Az alhálózatokat átjárók (Gateway), kapcsolók (Switch) és hidak (Bridge) köthetik össze. A sok csomópont, nagyobb távolságon fizikai jel-erősítést, szegmensekre bontást igényel. Ez az aktív HUB-ok és Repeater-ek (ismétlők) feladata. Az egységes elven, szabványos elemekkel felépített jól menedzselhető és karbantartható hálózatot strukturált hálózatnak nevezik.

38. LAN hozzáférési módok • Ethernet • a csatornafigyelés üközés-érzékeléssel - CSMA/CD • Token ring, token busz • állomások közül csak egyetlen kapja meg a jogot az adás megkezdésére • FDDI • közegű lokális hálózatok első közeg-hozzáférési szabványa • ISDN • integrálja a hang és nem hangjellegű szolgáltatásokat

39. ISO OSI referencia modell Hálózati szolgáltatások alkalmazások számára Adatmegjelenítés, titkosítás Számítógépek közötti kommunikáció Valódi végpontok közötti kapcsolat Címzés, útvonalválasztás Közeghozzáférés (MAC) Bináris jelátvitel

40. Számítógépes hálózatok a termelésben A számítógépes hálózat kommunikációs csatornákkal összekapcsolt, autonóm működésre képes számítógépek, számítógép alapú terminálok és intelligens vezérlők olyan rendszere, amely a hálózat használói számára szolgáltatásokat nyújt. A számítógépes hálózatok fő típusai: • WAN Wide Area Network . Nagykiterjedésű hálózat. Egymástól nagy távolságra lévő csomópontokat tartalmaz. Internet, világhálózat. • MAN Metropolitan Area Network. Városi hálózat. Lokális hálózatokat nagyvárosi méretekben összekapcsoló hálózat. Nyilvános és privát rendszerek. (PBX, X. 25, Frame Relay). • LAN Local Area Network. Korlátozott távolságon (néhány km) elhelyezkedő, szorosan együttműködő csomópontokat tartalmaz. Intézményi és cég hálózatok. • CAN Control Area Network. Automatizált berendezéseket és rendszereket irányító, számítógépes kontrollereket tartalmaz. (Cell bus, Field bus).

41. MAP A Manufacturing Automation Protocol • General Motors kezdeményezése • üzemi hálózatok szolgáltatásainak szisztematikus felépítésére • Token bus megvalósítás • Egységes, szabványos kommunikációs rendszer • Nyílt rendszer • Tetszőleges beszállítótól származó eszköz beilleszthető (az eszközök csereszabatosak).

42. MMS A Manufacturing Messages Specification: • Az OSI referenciamodell gyártási üzenet specifikációja • Biztosítja a számítógépek és vezérlőberendezések közötti szabványos kommunikációt • Meghatározza, hogy az üzemi szinten milyen objektumtípusok fordulnak elő • Objektum-orientált megközelítést alkalmaz • Az MMS objektumai között változók, események, figyelmeztető jelzések és egyéb a gyártórendszer alkalmazásai szempontjából lényeges entitások vannak • Az MMS definiálja mindazon szolgáltatásokat, amelyek felhasználásával az alkalmazások befolyásolhatják az objektumok viselkedését • Definiálja az objektumok hálózati felületét

43. ISDN RS232 Ethernet Token ring FDDI NCP TCP/IP DNS DHCP FTP Gopher HTTP IMAP POP3 Telnet NNTP SMTP Hálózati protokollok

44. Az Internet és a World Wide Web • Kliens-szerver koncepció • A hypertext paradigmája • A hypertext IP hálózatra való kiterjesztése • Uniform Resource Locator (URL) szabvány • Multimédia paradigma • Hyper Text Transport Protocol (HTTP) szabályozása alatt.

45. A Java, mint a WWW programozási nyelve • A Sun Microsystem fejlesztése • Objektum-orientált • A tallózók Java virtuális gépek • A program nem a szerver oldalon fut • „Szabványos” Java kód (operációs rendszertől független) • Biztonsági kérdések

46. Web-szolgáltatások • WEB-szolgáltatások nem nyújtanak a a felhasználóknak grafikus felhasználói interfészt(GUI) • elosztják az üzleti logikát az adatokat és folyamatokat egy hálózati, programozói interfészen (API) keresztül. • Az alkalmazások az Internet protokoll feletti nyílt szabványokat használnak, többek között • XML, • SOAP, • WSDL és • UDDI szabványokat

47. A MES rendszerek A Manufacturing Execution System hardver és szoftver komponensek összessége, amelyek vezérlik, irányítják és optimalizálják a gyártási tevékenységeket, a megrendelés elindításától a késztermék előállításán keresztül, egészen az elkészült termék kiszállításáig. A komponensek begyűjtik és karbantartják az aktuális termelési adatokat, amelyek lekérdezése, kiértékelése segítségével a gyártási tevékenységeket optimalizálhatók. Létfontosságú információkat biztosít a gyártási aktivitásokról a döntéstámogató folyamatok számára.

48. A MES rendszerek fő komponensei • Függő, üzemi rendelések menedzselése: felügyeli a megrendeléseket. Az alapanyagokat a gyár megfelelő részlegéhez irányítja, hogy ott a termelőfolyamatok, műveletek megkezdődjenek. • Technológiai folyamat-menedzsment: a munkafolyamatoknak a termelési terveknek megfelelő irányítása. • Termelési finomprogramozás, ütemezés, újra-ütemezés: a termelési aktivitások egy rendezett sorrendjének előállítása, amely lehetőség szerint optimális termelési cél elérését garantálja. • A feladatok erőforrásokhoz rendelése, felszabadítása, kiadása: irányítani, hogy ki, mikor, milyen géppel, milyen szerszámokkal mit csinaáljon, illetve nyomon kivetni, hogy éppen mi folyik. • A termelési folyamatok nyomkövetése, adatgyűjtés: a termékek, sorozatok monitorozása, történeti adatbázis karbantartása, gépek, termelési folyamatok adatainak tárolása. • Üzemi minőségbiztosítás: méri, nyomon követi és analizálja a termékadatokat, folyamat-jellemzőket, és ezeket összeveti az elvárt adatokkal. • Üzemi teljesítmény analízis, értékelés, beavatkozás, menedzser indexek számítása, aktualizálása, jelentése: összehasonlítja a termelési célokat és a megvalósított eredményeket. • Műhelyszintű fenntartó és karbantartó feladatok, menedzselése: megtervezi és végrehajtja a termelőeszközök állagmegóvásához szükséges tevéklenységeket.

49. A MES rendszerek fő komponensei

50. 1. Erőforrás allokáció és menedzselés, nyomon követés Ez a funkció irányítja, menedzseli az alapanyag felhasználását, azok hozzárendelését a gépekhez, munkákhoz, anyagokat vagy más felszereléseket dokumentál, így segítve elő a munka megkezdését, és annak lefolyását. Lényegét tekintve logisztikai feladatokat lát el (nyomon követés), melyek többnyire a nyersanyagra, a nyersanyagokat megmunkáló eszközökre terjednek ki. A nyomon követés eredménye, hogy minden eszközről, illetve késztermékről bármelyik időpontban rendelkezésre állnak olyan adatok, melyek a műveletek, munkák elkezdéséhez és szintentartásához szükségesek.