2018

Цифровая индустрия: догнать и больше не отставать

К новому президентскому сроку Владимира Путина отечественная промышленность подготовила новый президентский автомобиль. Бронированный лимузин создан в рекордные сроки в рамках проекта «Кортеж». Сегодня он стал одним из главных символов импортозамещения. Проект впервые в России реализован по концепции «Индустрия 4.0» и является прообразом «цифровой фабрики будущего». Эта концепция все больше и больше проникает в высокотехнологичные отрасли, поскольку за пределами «Индустрии 4.0» уже невозможно добиться главного в экономике будущего – ответа на вызов Time to Market, то есть минимального времени вывода на рынок конкурентоспособной в глобальном масштабе продукции нового поколения.

Прорывной «Кортеж»

Концепция «фабрик будущего» разработана Санкт-Петербургским политехническим университетом под началом Алексея Боровкова, проректора по перспективным проектам СПбПУ и соруководителя рабочей группы ТехНет Национальной технологической инициативы. Инжиниринговый центр СПбПУ, созданный Боровковым, в проекте «Кортеж» отвечал за разработку и реализацию технологий проектирования и расчетов элементов кузова, а также результаты краш-тестов. Основной задачей проекта была определена разработка универсальной базовой платформы, по техническим характеристикам соответствующей мировому уровню, элементы которой отечественные автомобилестроители смогут использовать при проектировании своей продукции. Как отмечает Алексей Боровков, «когда работа над «Кортежем» только начиналась, отечественной промышленностью было заявлено, что в такие сроки сделать его невозможно».

Пилотный проект по разработке единой модульной платформы и производству автомобилей на ее основе стартовал в 2013 году и реализуется в соответствии с Распоряжением Правительства России от 6 февраля 2014 года. Головной исполнитель – ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ». В рамках проекта совместно с НАМИ и на базе Цифровой фабрики Института передовых производственных технологий СПбПУ впервые были разработаны единая модульная платформа и автомобили, применены новые материалы и технологии точечной сварки с помощью коллаборативных роботов, спроектировано и запущено в эксплуатацию современное производство, причем все это было сделано практически с нуля. Работы были выполнены фактически за полтора года, из которых около трех месяцев заняло эскизное проектирование, а еще четыре месяца – техническое проектирование.

В 2016 году на Петербургском экономическом форуме министр промышленности и торговли РФ Денис Мантуров объявил, что «на краш-тестах в Германии и России машины получили максимальные пять «звезд» по безопасности». Высший балл с первой попытки – это настоящее достижение для инженеров.

Дверь в будущее

По словам Алексея Боровкова, проект «Кортеж» – это фактически иллюстрация к концепции «фабрик будущего». Что представляет собой эта концепция? «Фабрика будущего» – это передовая производственная площадка по созданию глобально конкурентоспособной и кастомизированной (персонализированной) продукции нового поколения, которая содержит в своей основе ядро («пересечение множеств») базовых технологий будущего (ключевых технологий Национальной технологической инициативы): цифрового моделирования и проектирования, создания новых материалов и аддитивных технологий.

«Индустрия 4.0» предусматривает формирование фабрик будущего трех типов: цифровых, «умных» и виртуальных. Преимуществом цифровых фабрик является безбумажное производство на основе компьютерного моделирования и проектирования с дальнейшим применением передовых производственных технологий: 3D-печати, аддитивных технологий, новых материалов, композитов и метаматериалов, лазерной сварки и т.д. Следующий этап развития – «умные фабрики», которые отличает безбумажное и безлюдное производство с гибкими производственными ячейками – робототехническими комплексами, представляющими собой киберфизические системы. И самый экономически эффективный вариант – «виртуальная фабрика», когда цифровое «умное» производство является распределенным и располагается в разных частях страны, за счет чего повышается уровень оптимизации по многим направлениям.

Целью «фабрик будущего» является обеспечение процесса проектирования изделий (конструкций) и передовых подходов к современному глобально конкурентоспособному производству на принципиально новый уровень за счет эффективного применения комплекса мультидисциплинарных и кросс-отраслевых компьютерных технологий. Эти передовые производственные технологии мирового уровня могут быть тиражированы и масштабированы практически на все высокотехнологичные отрасли отечественной промышленности.

Запрыгнуть в новый технологический уклад

Внедрение технологий Индустрии 4.0 – актуальная задача для всех российских высокотехнологичных отраслей, и в первую очередь для ракетно-космической, которая стремительно теряет свою конкурентоспособность на мировом рынке.

Одним из интеграторов новых технологий в госокорпорации «Роскосмос» является АО «Российские космические системы», в структуру которого входят ведущие предприятия космического приборостроения России. РКС разрабатывает, производит, испытывает, поставляет и эксплуатирует бортовую и наземную аппаратуру и информационные системы космического назначения. В систему кооперации РКС входят 14 предприятий космической отрасли – как головные, так и основные разработчики приборов: бортовых блоков управления, электронной исполнительной аппаратуры, систем энергопитания, радиоканалов телеметрии, управления и сброса информации, систем регистрации внешних воздействий. Как отмечает генеральный директор АО «РКС» Андрей Тюрин, несколько лет назад «Роскосмос» поставил перед ними задачу «сформировать приборостроительную корпорацию. Но классическими методами управления сделать этого не получилось, поэтому в 2016 году было принято решение о переходе на облик 4.0».

Что представляло собой российское космическое приборостроение в последние годы? На Международном авиационно-космическом салоне МАКС-2017 образ отрасли обрисовал заместитель генерального конструктора по перспективным технологиям конструирования бортовой аппаратуры АО «РКС» Геннадий Ерохин.

– Текущее состояние: санкции, ограничения в поставках электронной компонентной базы. Создано огромное количество бортовой аппаратуры, в которой необходимо заместить импортную ЭКБ. Сделать это pin to pin невозможно по причине существующих технологических ограничений нашей электронной промышленности. Космическая промышленность запросила заместить 1500 типов ЭКБ. Но в России недостаточно ни средств, ни физических ресурсов, чтобы это сделать.

Для обеспечения сокращения номенклатуры электронной компонентной базы были проведены соответствующие НИРы и НИОКРы. Сформирована единая заявка Роскосмоса по требуемым элементам ЭКБ. По типу и назначению каждого функцио-нального элемента мы привели все это к 126 типам в 2016 году и добавили еще порядка 25 позиций в 2017-м. Таким образом, электронной промышленности необходимо освоить около 150 типов ЭКБ. Но эти ЭКБ невозможно установить в сделанную ранее аппаратуру, потому что форм-фактор, корпуса, а частично и характеристики – разные. Необходимы доработки, целью которых является создание новой бортовой аппаратуры, которая будет полностью импортонезависимой и унифицированной для различных типов космических аппаратов.

Прорабатывая задачу, в РКС столкнулись с тем, что каждая из головных организаций, создающих космические аппараты (КА), имеет свое видение, свои требования, предъявляемые к бортовой аппаратуре в части интерфейсов, внешних воздействующих факторов, компоновки на борту КА, конструктивов. Все это было уникальным для каждой головной организации.

При выведении на разные орбиты внешние воздействующие факторы различны – используются разные ракеты, разные разгонные блоки, соответственно, бортовое оборудование создавалось под конкретное сочетание факторов. Все это приводило к тому, что было проблематично перенести прибор и использовать на другом аппарате. Требовалось проведение дополнительных работ, чуть ли не ОКР на доработку. В связи с этим время создания продукта и стоимость резко возрастали, а вероятность выполнения в срок сокращалась.

Поэтому, кроме импортозамещения, основной задачей стала унификация – как конструктивов и интерфейсов в передаче данных, питании, управлении, так и самой архитектуры построения бортовой аппаратуры. Решение этого вопроса позволяет перейти на качественно новый уровень, дающий возможность скомпоновать в одном приборе изделия, разработанные различными предприятиями. То есть приборы становятся не законченными устройствами, а модулями, из которых создается система, в формировании которой могут участвовать разработчики не только предприятий, входящих в контур Роскосмоса, но и тех, что находятся за его пределами.

Помимо технологической и производственной составляющей РКС необходимо было доработать и модернизировать технологию разработки аппаратуры. Этот процесс должен быть автоматизирован, а риски по отказам и ошибкам – минимизированы на этапе проектирования.

При разработке космических аппаратов и космических группировок сначала формулируются требования к КА, затем формируется понимание того, нужно ли разрабатывать новые типы, или достаточно существующих, и после этого на каждом этапе создания системы ведется моделирование. Если параметры системы удовлетворяют требованиям технического задания, начинается разработка бортовой аппаратуры. Для достижения результата в этом процессе важно, чтобы при разработке технических и конструктивных решений и программных продуктов также осуществлялось моделирование, подтверждающее, что продукт либо соответствует математической модели, либо требует корректировок и доработок. И на выходе получается продукт с подтвержденными характеристиками.

От уникальности – к «умной» унификации и стандартизации

РКС провела большую работу по формированию стандарта по внешним воздействующим факторам, который удовлетворит любого заказчика КА. Сейчас ведется работа по интерфейсам управления, чтобы минимизировать их и сократить всего лишь до трех, а также по системе энергопитания и стандартизации используемых радиоканалов. Результатом станет то, что в зависимости от назначения, габаритов и функции КА система будет представлена либо в виде модуля, либо прибора, либо ряда приборов, которые обеспечивают заданную параметрами техническую функцию. Все они строятся по принципу модульных конструкций и обеспечивают полную унификацию с точки зрения стыковки различных предприятий.

– Что в первую очередь мы унифицировали? – рассказывает Геннадий Ерохин. – Мы поняли, что в отрасли невозможно выбрать определенные вычислительные процессы. У каждого разработчика они свои, и никто не хочет их менять. Поэтому мы пошли по принципу, который реализован в авиации. Мы предъявляем требования не к унификации процессора, а к его вычислительным способностям. То есть модуль должен иметь процессор с определенными вычислительной способностью и объемом памяти, и в нем должна быть установлена операционная система реального времени со стандартизованным интерфейсом – это программное обеспечение с единым протоколом стыковки между операционной системой и интерфейсом пользователя (программиста, пишущего функциональное программное обеспечение), которое может быть использовано на разных модулях. Это дает возможность системного резервирования и использования программного обеспечения на различных вычислителях, объединенных в сеть. И это качественный шаг вперед, который обеспечивает повышение надежности, распределение вычислительных ресурсов по всему КА и возможность создания одноранговой сети, дающей доступ к любой информации, курсирующей между приборами и модулями КА. Современные управляющие интерфейсы – это уже не тот «зоопарк» (из несовместимых или слабо состыкованных интерфейсов), что прежде, из-за которого резко сокращался объем доступной телеметрической информации для анализа внештатной ситуации.

Кроме того, сейчас формируются стандарты по радиоканалам, которые используются на борту КА. Этой стандартизации требуют зарубежные заказчики, использующие наземные станции на базе модулей и систем, которые они закупают не в России.

Уложиться в габариты

Современные спутники – это уже не те громоздкие аппараты, заполненные массивными элементами ЭКБ первых поколений. Сегодняшний заказчик все чаще требует малогабаритных КА весом 300-400 кг либо микроспутников, целый рой которых можно вывести на одном ракетоносителе. Чтобы их эксплуатационные характеристики соответствовали заявленным в техзадании, нужна миниатюризация.

– Мы добиваемся того, чтобы наша аппаратура имела конкурентные преимущества с точки зрения не только функционала, но и массогабаритных параметров, – отмечает Геннадий Ерохин. – Когда мы переходим на отечественную ЭКБ, мы ограничены фактическими возможностями наших заводов. У них другие технологии по сравнению с зарубежными производителями, а габариты микросхем и кристаллов значительно больше, чем у зарубежных аналогов. Если использовать микросхемы, созданные по старым техническим решениям, то габариты резко возрастают, что сокращает конкурентоспособность.

Мы пошли по пути миниатюризации и сейчас закупаем не микросхемы, а кристаллы. Имея собственное сборочное производство, мы резко сокращаем массогабаритные параметры изделий. Если раньше размеры процессора с обвязкой были порядка 100 на 200 мм в корпусном исполнении, то сейчас мы реализовали по технологии LTCC модуль с габаритами 60 на 60 мм, то есть сократили их более чем в 4 раза, при этом функционал – объем памяти, вычислительные способности процессора, вся периферия – остался тем же самым. Таким образом, даже переходя на отечественные технологии, мы не увеличиваем, а, наоборот, сокращаем массогабаритные параметры.

Кроме того, мы не стоим на месте и внедряем технологию, которая позволит еще значительнее уменьшить габариты, – это переход с LTCC-керамики на кремниевые структуры. Эти технологии позволяют создавать печатные платы, на которые можно смонтировать кристалл с технологическими характеристиками, на порядок превосходящими технологию LTCC по толщине дорожки (50 микрон, а не 200), количеству слоев, диаметру перехода между слоями. По прогнозу, это позволит сократить массогабаритные параметры еще на 50%.

Сейчас мы заказали эти компоненты электронной промышленности. Но проблема в том, что сроки их создания – около трех лет. Если идти стандартным путем, мы сможем понять, что получилось, только через три года ОКР. Это недопустимо, потому что зачастую выходит не то, что нам нужно, а то, что могут производители. В результате мы получаем микросхему, которая не используется, а мы опять идем за импортом. Чтобы такого не происходило, необходимо использовать макеты ЭКБ в отладочных макетах аппаратуры еще до завершения всех испытаний. Тем самым мы на каждом этапе будем отрабатывать не только технические решения нашего уровня, но и решения, которые будут реализовываться в кооперации с электронной промышленностью. Это позволит через три года получить на выходе то, что нужно нам. На каждом этапе мы будем корректировать работу совместно с исполнителями и получим результат, который удовлетворит обоих. Большинство предприятий оборонной промышленности уже согласились работать по такому принципу. И это значительно сократит сроки создания полностью импортонезависимой бортовой аппаратуры – мы не будем выходить на второй круг.

В отрасли было огромное количество различных конструктивов, и даже на одном предприятии действовало несколько разработчиков, которые говорили, что их конструктив самый лучший. Очень сложно переубедить конструкторов, что необходимо использовать однотипные конструктивы, которые позволят собирать из приборов системы в формате моноблоков. Но учитывая, что в космической отрасли идет миниатюризация и перспективные КА имеют меньшие размеры, то необходимость применения отдельных приборов в создании систем уже не позволяет выполнить требования по массогабаритным параметрам. Необходимо стандартизовать форм-фактор конструктивов, которые мы используем на борту.

Кроме того, раз в год на каком-нибудь предприятии при наземной отработке обязательно происходит отказ при механических испытаниях, прибор возвращают на доработку конструкции. Как следствие – срыв сроков создания КА. Чтоб этого не было, необходимо, как и в советские времена, определить ряд конструктивов, которые удовлетворили бы и заказчиков, и потребителей – разработчиков бортовых приборов и создателей КА. Такая работа проведена, сформированы ряды, на базе которых строятся приборы. Они бывают двух типов исполнения и двух форм-факторов. Габариты – 100 на 120 мм и 260 на 120 мм. Один – с использованием кросс-платы и сложных соединителей, которые имеют пропускную способность каждого канала до 10 Гбит. И таких каналов больше сотни, то есть с точки зрения информативности он обеспечивает любое прохождение сигнала. Второй – с внешним соединением через гибко-жесткие печатные платы, технология которых в отрасли уже внедрена практически на всех предприятиях. Такие конструктивы были представлены разработчикам и потребителям, и сейчас мы согласовываем проект стандарта, который позволит минимизировать риски отказа на механических испытаниях при создании бортовой аппаратуры.

Моделирование на каждом этапе, миниатюризация ЭКБ и стандартизация всех стыков и интерфейсов, основных конструктивов и технических решений позволят перейти на качественно новый уровень создания бортовой аппаратуры.

Невозможно? Реально!

Концепция «фабрик будущего» сегодня реализуется в разных высокотехнологичных отраслях. Наиболее продвинулись в этом процессе те, кто столкнулся с необходимостью импортозамещения на самом первом его этапе – замещении украинской продукции. Это двигателестроение, вертолетостроение, судостроение, ракетно-космическая отрасль. Концепция «фабрик будущего» не включает в себя напрямую задачи построения новой инфраструктуры и разработки технологий (этому посвящено много федеральных целевых программ). «В первую очередь, это комплексирование технологий, которые дают принципиально быстро новый результат для нерешенных задач», – отмечает Алексей Боровков. – Сейчас, благодаря НТИ в том числе, выстроилась некоторая очередь проблем-вызовов из разных отраслей. Отрасли говорят – эту задачу решить нельзя за эти годы. Оказывается, можно, но решать нужно с помощью других компетенций, других технологий, и зачастую других людей». И принципиально важно, что виртуальные фабрики предполагают увеличение участия среднего и малого бизнеса (в рамках формирования цепочки поставщиков). Отвечая на вызовы, которые стоят перед конкретными отраслями, масштабируя этот опыт на различные сферы, Россия получает инструменты для формирования конкурентоспособной экономики будущего.
 Основные типы фабрик будущего

• Цифровая фабрика (Digital Factory) – характеризуется использованием технологий цифрового моделирования и проектирования как самих продуктов или изделий, так и производственных процессов на всем протяжении жизненного цикла.

• «Умная» фабрика (Smart Factory) – формируется на основе цифровой фабрики. Добавляется высокотехнологичное оборудование: 3D-принтеры, ЧПУ-станки, робототехнические комплексы и др. Применение датчиков, сенсоров, а также автоматизированных систем управления технологическими процессами и систем оперативного управления производственными процессами на уровне цеха предоставляет возможность осуществлять быструю и гибкую («автоматизированную») переналадку оборудования.

• Виртуальная фабрика (Virtual Factory) – формируется как распределенная сеть цифровых и «умных» фабрик, а также поставщиков услуг/ компонентов. Виртуальная фабрика призвана радикально повысить добавленную стоимость продуктов и изделий и расширить конкурентные предложения на рынке за счет использования технологий управления глобальными цепочками поставок и распределенными производственными активами.

Сергей Савинов

ООО «Зетта Страхование» – 25 лет безупречной работы>>>


Комментировать




Александр Лапшин: "Пассажир может быть любым, а работник железнодорожного транспорта должен быть образцовым"

...

Игорь Бобылев: "Мы стремимся к развитию, совершенствованию и новаторству"

...

Владимир Красильников: "Господдержка должна быть на конкретный результат"

...

Михаил Мирошкин: "Мы непрерывно совершенствуем свою работу и предлагаем комплексные решения"

...

Яндекс.Метрика
www.izhevskinfo.ru
Купол
Полиграф
Пресс-Тайм
Управление Госэкспертизы
Разработка сайта - "Мифорс" / Дизайн-студия "Мухина"