Strona poświęcona mojej pracy naukowej i usługom jakie świadczę polskim podmiotom. Zapraszam tych którzy szukają wiedzy i tych którzy szukają wsparcia w swoich projektach informatyzacji.
Cyfrowa Transformacja Organizacji: analizy systemowe przedsiębiorstw, projektowanie rozwiązań i przygotowanie do wdrożeń systemów standardowych i dedykowanych.
Analityczne modele BPMN to łańcuchy aktywności reprezentujących procedury oraz ich produkty czyli dokumenty (dane). Na tych modelach aktywność to abstrakcja reprezentująca (całą) pracę, której efekt (wynik) jest prezentowany jako treść (DataObject), czyli aktywność kopania rowu kończy się pisemnych stwierdzeniem, że rów wykopano, z ewentualnym opisem parametrów tego rowu (patrz specyfikacja BPMN i definicja atomowej aktywności w procesach ). A gdzie dokładny opis machania łopatą albo obsługi koparki? Nie tu (patrz Procesy a procedury). Tak więc nie używamy notacji BPMN do modelowania procesów i struktury produkcji. Skoro nie BPMN to czego używamy?
Wprowadzenie
Niedawno cytowałem:
SLIM (Systems LIfecycle Management) jest środowiskiem dla zintegrowanej inżynierii systemów opartej na modelach, notacji SysML (OMG Systems Modeling Language) i produktach PLM (Product Lifecycle Management). Dzięki temu podejściu inżynierowie złożonych systemów mogą opracowywać i zarządzać wysokopoziomową architekturą systemu/produktu w SysML i jednocześnie łączyć się, komunikować i synchronizować ze szczegółowymi wymaganiami, częściami…
W czym rzecz? W tym, że produkcja to złożony system powiązanych ze sobą maszyn, obsługujących je ludzi (ale nie zawsze, bo są roboty) oraz produktów jakie powstają z ich użyciem. To co się dzieje na takiej hali to nie procesy biznesowe, hala produkcyjna to pewien złożony mechanizm wytwarzania lub przetwarzania określonych rzeczy. Wyzwaniem jest tu stworzenie modelu tej hali i tych rzeczy . Opisuje to między innymi specyfikacja ANSI/ISA-95 . Na jej podstawie można także opisać jakimi danymi zarządzamy i jak integrujemy dziedzinowe podsystemy zarządzające produkcją .
Norma ANSI/ISA-95
Kluczem do napisania tego artykułu jest warstwowa struktura zarządzania produkcją opisana w normie ANSI/ISA-95:
Dlatego granica między modelem procesów biznesowych (tu używamy notacji BPMN) a modelem systemu produkcji (tu używamy notacji SysML) jest granica miedzy Level 4 a Level e3. Systemy MES operują w warstwie Level 3. Śledzenie i kolekcjonowanie danych to Levels 2, 1,0.
Proces biznesowy
Zgodnie z definicją BPMN proces biznesowy to aktywność i jej produkt, złożoność aktywności nie ma znaczenia, ten symbol to abstrakcja dowolnej pracy ograniczonej materialnym (dokument) wejściem i wyjściem (więcej na stronie Notacja BPMN…).
Poniżej dwa kluczowe dla produkcji procesy biznesowe: przyjęcie zamówienia i uzupełnienie niedoboru.
Procesy biznesowe produkcji: Rejestracja zamówienia i uzupełnienie niedoboru (notacja BPMN, model analityczny)
Co do zasady nie łączymy tych procesów w jeden, bo liczba zamówień nie musi być równa liczbie zleceń produkcyjnych: możemy mieć produkcję na zapas, łączenie zamówień w jedno zlecenie produkcji itp.. Na to nakłada się zarządzanie partiami produkcyjnymi.
Powyższe diagramy to typowe modele analityczne procesów. Liczba aktywności nie może być większa niż liczba dokumentów lub zmiany ich statusów (zgodnie z definicją BPMN elementarny proces to aktywność i jej produkt, mogą nim dwa dokumenty, ale analitycznym modelu nie dopuszczamy aktywności bez produktu).
Proces rejestracji i weryfikacji Zamówień jest z reguły realizowany przez system ERP/MRPII: osoba odpowiedzialna za przyjmowanie zamówień rejestruje je i weryfikuje. Wadliwe zamówienia są anonsowane zamawiającemu, pozostałe są rejestrowane ze statusem [przyjęte] (patrz stan vs status dokumentu).
A gdzie są te wszystkie potrzebne detale?
Integracja systemów
Proces uruchamiający zlecenia produkcyjne jest sterowany niedoborem produktów a nie zamówieniem od klienta, gdyż na takim zamówieniu może być wiele produktów, każdy o innym cyklu życia i produkcji.
Tu pojawia się „magiczna” granica między modelami procesów biznesowych, opartych na zadaniach i dokumentach biznesowych, a modele „fabryki”, czyli złożonego mechanizmu wytwarzającego produkty. Tą fabryką steruje się komunikatami. Są one wysyłane z systemów informatycznych przetwarzających informacje z Zamówień na komunikaty sterujące realizacją zadań na maszynach (generalnie na gniazdach produkcyjnych).
Tu ma miejsce zamiana treści Zamówienia na sekwencję określonych w czasie zleceń produkcyjnych określonych produktów (indeksów). Są to niedobory. Pojawienie się niedoboru (w magazynie) jest wychwytywane w systemie ERP (magazyny, coraz częściej ERP sprawdza to w odrębnym systemie WMS, nie pokazano go tu). Niedobór jest zgłaszany do MOM (Manufacturing Operation Management), składający się z trzech kluczowych podsystemów: planowanie, sterowanie produkcją i zarzadzanie informacją o produktach. Realizacja uzupełnienia niedoboru to sekwencja jak poniżej:
Po prawej, wg, typowej obecnej nomenklatury są to odpowiednio systemy: APS (Advanced Planning & Scheduling), MES (Manufacturing Execution System), PLM (Product Lifecycle Management). Fabryką steruje bezpośrednio system MES, interfejsem jest tu system komunikatów przekazywanych np. na panele dotykowych operatorów stanowisk lub jako komunikaty NX do maszyn CNC sterowanych cyfrowo.
Hierarchia modeli i aktywności, notacji BPMN używamy tylko na poziomie Level 4
System MES to „wielki koordynator zadań”. Każde zadanie to także komunikat wysłany i zwrotny komunikat odebrany, innymi słowy MES zleca zdania i śledzi ich postęp. W tym miejscu technologia (opisana w PLM) jest zamieniana (przeliczana) na sekwencję zadań dla określonych stanowisk (cell) w fabryce.
Podstawową informacją dla MES jest technologia i wymagane zasoby (BOM, BOR). Poniżej poglądowy schemat:
Modelowanie struktury produktu, jako jego definicji, to modelowanie wraz z pracochłonnością jego wykonania (SysML). Innymi słowy model kosztowy lodów z perspektywy budki z lodami, to gałki lodów, rożek i praca wymagana do przygotowania i wydania loda. Poniżej ogólna struktura pojęć związanych z wytwarzaniem produktów.
Wytwarzanie ich wymaga zarzadzania pokaźną ilością danych:
Jak widać mamy do czynienia z dość poważną złożonością. I tu z pomocą przychodzi traktowanie fabryki wraz z tym co wytwarza jak systemu i notacja SysML bardzo pomaga tu w modelowaniu .
Zaczynamy od zapoznania się z dokumentacją opisująca fabrykę (zakład produkcyjny) i tworzymy bibliotekę typów komponentów systemu
Prosty przykład definicji typów bloków składowych systemu jakim jest zakład produkcyjny (Block Definition Diagram SysML)
Mając przygotowany „zestaw typów klocków” możemy przystąpić do modelowania konkretnego zakładu produkcyjnego i produktów. Można zbudować model ciągu produkcyjnego dla określonego produktu:
Marszruta czyli stanowiska produkcyjne ciągu technologicznego (diagram bloków wewnętrznych SysML). Marszruta to procedura (kolejne kroki do wykonania).
Np. stanowisko zbudowane z elementów których typy są na powyższym diagramie może wyglądać tak:
Model stanowiska (work cell, diagram bloków wewnętrznych SysML). Tu powinna być dostępna instrukcja stanowiskowa.
Jeżeli dla lepszego zrozumienia chcemy pokazać jakie zadania są realizowane na tym stanowisku używamy diagramu aktywności:
Nieco bardziej wyrafinowany przykład opisu stanowiska:
Powyżej cytowany model jest precyzyjny, gdyż może posłużyć do symulacji (ww. źródło zawiera komplet modeli opisujących pewną fabrykę). W przypadku typowego wdrożenia systemu MES celem zidentyfikowanie stanowisk, ich wyposażenia i etapów produkcji wraz z przezbrojeniami oraz strukturę opisu technologii wykonania produktu, czyli musimy zidentyfikować dane wymagane do parametryzacji systemu na etapie wdrożenia. Opisywany powyżej model to kolejny „digital twin” fabryki na poziomie abstrakcji pozwalającym bezbłędnie i za pierwszym razem przygotować informacje wymagane by skonfigurować i uruchomić system MES a później zarządzać zmianą.
Podsumowanie
Opisano krótko metody i notacje używane do modelowania systemu produkcji. Celem tych modeli jest skompletowanie danych potrzebnych do skonfigurowania systemów: CAD, CAM, MES, APS, PLM. Gdzie te dane? To atrybuty i ich wartości. Atrybuty elementów tych modeli (bloki funkcjonalne i ich instancje). Opis produktu to struktura treści składająca sie z elementów opisujących nie tylko listę składników BOM, ale także listę operacji wraz z ewentualnymi przezbrojeniami na stanowiskach realizujących kolejne operacje w toku wytwarzania. Kolejne stanowiska, ich wyposażenie, operacje jakie są realizowane na każdym z nich, pozwalają dokonać sprawdzenia, czy wszystko rozumiemy.
Kluczowe są także modele samych produktów, detale powstaję z pomocą aplikacji CAD, ale abstrakcje opisujące ich architekturę to SysML. Mając takie modele możemy upewnić się, że całość jest spójna, kompletna i niesprzeczna. Mamy też możliwość dokonania świadomych optymalizacji, które na modelach odbywają się to wielokrotnie niższym kosztem niż „na żywym ciele” w toku wdrożenia .
Całość jest nazywana Design Chain Management (DCM), czyli zarządzanie łańcuchem projektowym, rozumianym tu jako ciąg zdarzeń (prac, czynności) od zaprojektowania produktu, przez jego wytworzenie do dostarczenia zamawiającemu.
Jak widać musimy zarządzać zmiennością funkcjonalności, zmiennością struktury produktu, zmiennością procesów produkcji, zmiennością procesów w logistyce. To wszystko cechuje sie określonymi parametrami. Łańcuch projektowania i wytwarzania płynnie przechodzi w łańcuch dostaw. Jednak CAŁOŚĆ opiera sie na zarządzaniu informacją. Dlaczego? Bo systemy informatyczne nie produkują kół zębatych, one jedynie przechowują i przetwarzają informacje o całym tym procesie. WSZYSTKIE.
Dlaczego więc nie tylko BPMN? Dlaczego inne systemy notacyjne? A jak w BPMN opisać wszystko powyższe? Zakład produkcyjny to skomplikowany system, nie da się go skutecznie opisać używając jedynie nazw aktywności. Zresztą detaliczne prace wykonywane przy maszynach i ich kolejność, materialne elementy, które w toku produkcji nie są „wydaniem z magazynu i przyjęciem na magazyn”.
BPMN to tylko biznesowy model łańcucha pracy i jej produktów: informacji. To co wytwarzamy to systemy: od prostych sterowników klimatyzacji, przez sprzęt AGD, do samochodów i samolotów. To wszystko to mieszanka podzespołów mechanicznych, elektromechanicznych i komputerów (programator pralki i sterownik wtrysku silnia spalinowego to komputery) :
Friedenthal, S., Moore, A., & Steiner, R. (2015). A practical guide to SysML: the systems modeling language (Third edition). Elsevier, MK, Morgan Kaufmann is an imprint of Elsevier. https://www.sciencedirect.com/book/9780128002025/a‑practical-guide-to-sysml
System informatyczny zarządzający tym wszystkim to informacje zarówno o produkowanych produktach jak i o samych same halach produkcyjnych i tym co sie tam dzieje. Model BPMN tu to tylko malutki wierzchołek góry lodowej, to czwarty poziom (Level4) hierarchii modeli.
Znane są próby wdrożenia produkcji jako sekwencji dokumentów MM między stanowiskami w fabryce, albo kastomizacja systemu ERP z prostej operacji kompletacji w obsługę produkcji. No nie są to sukcesy… świat tak nie robi. Jak? Zalecenia ANSI/ISA-95 to zbiór dobrych praktyk i modeli, który warto poznać i zrozumieć. Głównie dlatego, że oprogramowanie czołowych producentów na świecie jest budowane na bazie tych standardów. To zaś oznacza, że łamanie tych standardów w toku wdrożeń tych aplikacji, może się tylko źle skończyć, tak samo jak wciskanie kwadratowego korka w okrągła szyjkę butelki.
-Brandl, ‑D. (2002). Business to manufacturing (B2M) collaboration between business and manufacturing using ISA-95. Revue de l’Electricité et de l’Electronique, (08), 46. https://doi.org/10.3845/ree.2002.087
Candell, R., Kashef, M., Liu, Y., & Foufou, S. (2019). A SysML representation of the wireless factory work cell: Enabling real-time observation and control by modeling significant architecture, components, and information flows. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 104(1 – 4), 119 – 140. https://doi.org/10.1007/s00170-019 – 03629‑x
Friedenthal, S., Moore, A., & Steiner, R. (2009). OMG Systems Modeling Language (OMG SysMLTM) Tutorial September, 2009. 132.
Friedenthal, S., Griego, R., & Sampson, M. (2009). INCOSE Model Based Systems Engineering (MBSE) Initiative.
Gors, D., Birem, M., Geest, R. D., Domken, C., Zogopoulos, V., Kauffmann, S., & Witters, M. (2021). An adaptable framework to provide AR-based work instructions and assembly state tracking using an ISA-95 ontology. Procedia CIRP, 104, 714 – 719. https://doi.org/10.1016/j.procir.2021.11.120
Gorschek, T., Tempero, E., & Angelis, L. (2014). On the use of software design models in software development practice: An empirical investigation. Journal of Systems and Software, 95, 176 – 193. https://doi.org/10.1016/j.jss.2014.03.082
Lee, Y. T. (1999). Information modeling: From design to implementation. Proceedings of the Second World Manufacturing Congress, 315 – 321.
Leon F. McGinnis. (2019). Formalizing ISA-95 level 3 control with smart manufacturing system models (NIST GCR 19 – 022; p. NIST GCR 19 – 022). National Institute of Standards and Technology. https://doi.org/10.6028/NIST.GCR.19 – 022
Prades, L., Romero, F., Estruch, A., García-Dominguez, A., & Serrano, J. (2013). Defining a Methodology to Design and Implement Business Process Models in BPMN According to the Standard ANSI/ISA-95 in a Manufacturing Enterprise. Procedia Engineering, 63, 115 – 122. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2013.08.283
Weilkiens, T. (2007). Systems engineering with SysML/UML: modeling, analysis, design (1. Aufl). Morgan Kaufmann OMG Press/Elsevier.
Wu, D., Zhang, L. L., Jiao, R. J., & Lu, R. F. (2013). SysML-based design chain information modeling for variety management in production reconfiguration. Journal of Intelligent Manufacturing, 24(3), 575 – 596. https://doi.org/10.1007/s10845-011‑0585‑6
Jarosław Żeliński: autor, badacz i praktyk analizy systemowej organizacji: Od roku 1991 roku, nieprzerwanie, realizuje projekty z zakresu analiz i projektowania systemów, dla urzędów, firm i organizacji. Od 1998 roku prowadzi samodzielne studia i prace badawcze z obszaru analizy systemowej i modelowania (modele jako przedmiot badań: ORCID). Od 2005 roku, jako nieetatowy wykładowca akademicki, prowadzi wykłady i laboratoria (ontologie i modelowanie systemów informacyjnych, aktualnie w Wyższej Szkole Informatyki Stosowanej i Zarządzania pod auspicjami Polskiej Akademii Nauk w Warszawie.) Oświadczenia: moje badania i publikacje nie mają finansowania z zewnątrz, jako ich autor deklaruję brak konfliktu interesów. Prawa autorskie: Zgodnie z art. 25 ust. 1 pkt. 1) lit. b) ustawy o prawie autorskim i prawach pokrewnych zastrzegam, że dalsze rozpowszechnianie artykułów publikowanych w niniejszym serwisie jest zabronione bez indywidualnej zgody autora (patrz Polityki Strony).
Zgodnie z art. 25 ust. 1 pkt. 1) lit. b) ustawy o prawie autorskim i prawach pokrewnych zastrzegam, że dalsze rozpowszechnianie artykułów publikowanych w niniejszym serwisie jest zabronione. Ewentualne użycie treści wymaga indywidualnej zgody autora.
Nie wykryto skryptu Javascript. Javascript wymagany do działania tej strony. Proszę włączyć go w ustawieniach przeglądarki i odświeżyć tę stronę.
Zarządzaj zgodami plików cookie
Aby zapewnić jak najlepsze wrażenia, korzystamy z technologii, takich jak pliki cookie, do przechowywania i/lub uzyskiwania dostępu do informacji o urządzeniu. Zgoda na te technologie pozwoli nam przetwarzać dane, takie jak zachowanie podczas przeglądania lub unikalne identyfikatory na tej stronie. Brak wyrażenia zgody lub wycofanie zgody może niekorzystnie wpłynąć na niektóre cechy i funkcje.
Funkcjonalne
Zawsze aktywne
Przechowywanie lub dostęp do danych technicznych jest ściśle konieczny do uzasadnionego celu umożliwienia korzystania z konkretnej usługi wyraźnie żądanej przez subskrybenta lub użytkownika, lub wyłącznie w celu przeprowadzenia transmisji komunikatu przez sieć łączności elektronicznej.
Preferencje
Przechowywanie lub dostęp techniczny jest niezbędny do uzasadnionego celu przechowywania preferencji, o które nie prosi subskrybent lub użytkownik.
Statystyka
Przechowywanie techniczne lub dostęp, który jest używany wyłącznie do celów statystycznych.Przechowywanie techniczne lub dostęp, który jest używany wyłącznie do anonimowych celów statystycznych. Bez wezwania do sądu, dobrowolnego podporządkowania się dostawcy usług internetowych lub dodatkowych zapisów od strony trzeciej, informacje przechowywane lub pobierane wyłącznie w tym celu zwykle nie mogą być wykorzystywane do identyfikacji użytkownika.
Marketing
Przechowywanie lub dostęp techniczny jest wymagany do tworzenia profili użytkowników w celu wysyłania reklam lub śledzenia użytkownika na stronie internetowej lub na kilku stronach internetowych w podobnych celach marketingowych.