SISTEME DE FABRICATIE IN ARHITECTURI DESCHISE

SISTEME DE FABRICATIE IN ARHITECTURI DESCHISE

Dezvoltarea Sistemelor Holonice de Executie a Fabricatiei

Introducere

Schimbarile rapide ale cererilor de piata si presiunile de competitie necesita ca producatorii sa mentina sistemele de fabricatie la un nivel foarte flexibil pentru a face fata unui mediu de fabricatie complex. Pentru a indeplinii aceste cerinte,sunt adoptate conceptele de holon si holarhie pentru a proiecta fabricarea sistemelor.Holonul si holoarhia provin din studiile despre organizatiile sociale si organismele vii care poseda proprietati de inteligenta,autonomie,colaborare,reconfigurare si extensibilitate.Mai mult,sistemele avansate de fabricatie, de asemenea ,necesita certificari de securitarte si metode de restabilire in caz de defect.Bazat pe cerintele acestor proprietati un mod sistematic de dezvoltare este propus pentru sistemele holonice de executie a fabricatie pentru industria de semiconductori.Aceasta abordare sistematica porneste cu o analiza de sistem prin colectarea domeniului de cerinte si analiza domeniului de cunostinte.Holarhia HMES este proiectata prin procedura construirii unui model de obiect abstract bazat pe un domeniu de cunostinte,impartind domeniul aplicatiilor in holoni functionali,identificand parti generice printre holonii functionali si dezvoltand Holonul Generic,definind mesajele holarhiei si cadrul de dezvoltare al HMES si in final proiectand holoni functionali bazati pe Holonul Generic.Se crede ca aceasta propunere produce un mijloc nou si eficient in proiectarea HMES.

In zilele noastre,majoritatea companiilor fabricante de semiconductori utilizeaza sistemele de executie a fabricatiei(MES) pentru a furniza informatia in scopul optimizarii activitatilor de productie de la registrul de comenzi la proiectare,productie si marketing pentru a realiza o intreprindere de fabricatie agila.

Piata MES este compusa din cativa furnizori alcatuind o suita integrata de produse de aplicatie.Un MES integrat poate avea multe avantaje precum o singura baza de date logica,functionalitati imbunatatite,aplicatii integrate,un singur model de fabrici,produse si procese de fabricatie.Solutiile la punct pot oferi cele mai bune capabilitati pentru o functie particulara(controler,WIP,planificator),rezultatul final il reprezinta baze de date multiple,modele multiple.

Pentru a rezolva problema dihotomiei dintre MES si solutiile la punct,conceptul de MES integrabile a fost propus (Scott,1996).Astfel fiecare aplicatie poate fi atat o solutie la punct cat si sa fie integrata intr-o suita larga de produse.

Asadar,MES integrabila ofera un mediu deschis,modularizat,configurabil,distribuit si colaborativ astfel ca se poate obtine o rapida implementare,o reducere a complexitatii,agilitate,integrare rentabila,usurinta folosirii.

McGehee a prezentat Texas Instruments Microelectronics Manufacturing Science and Tehnology(MMST) CIM System Framework care a fost bazat pe sisteme deschise distribuite si tehnologia obiectelor.Acest efort de reproiectare a folosit metodologia modelelor OMT pentru a crea cadrul de dezvoltare MMST.Urmand mediul MMST,Sematech a dezvoltat specificatiile mediului CIM

versiunea 2.0 (Sematech,1998),care este un model abstract pentru sistemele tipice de fabricare de semiconductori.

Cateva incercari de arhitecturi distribuite au fost studiate de Kadar (1998) si caracteristicile fundamentale au fost subliniate.De altfel,un mediu de simulare orientat obiect pentru dezvoltare si evaluarea de arhitecturi de fabricare multiagent a fost introdus de Kandar.Cheng (1999) a aplicat tehnologiile orientate pe obiect distribuite pentru a dezvolta mediul MES.Acest mediu are caracteristicile deschiderii,modularizarii,distribuirii,reconfigurabilitatii,interoperabilitatii si usoarei intretineri.

Aceast articol aplica conceptele de holon si holarhie pentru a proiecta o Holarhie HMES care nu poseda doar caracteristicile mediului MES ci si proprietatile de recuperare in caz de dezastru si securitate.

Primul val de automatizare a aparut in anii '20, introdus de Henry Ford, fiind

legat de liniile de transfer rigide, specifice productiei de serie mare si de masa,

deservite de omul robot.

Al doilea val de automatizare a aparut in anii '50 in Japonia. Acest val poate fi

numit un adevarat "Pearl Harbor" economic. De atunci dezvoltarile tehnologice,

cum ar fi microelectronica si robotica, au sporit arsenalul mijloacelor la

dispozitia omului pentru a-si cladi viitorul sau.

Cel de-al doilea val al automatizarii se adreseaza productiei de serie mica si

mijlocie.

Pornind de la momentul aparitiei primei masini comandate numeric se pot

evidentia mai multe nivele de automatizare.

Nivelul 1 - Masina unealta cu comanda numerica.

Nivelul 2 - Centrul de prelucrare (CP).

Nivelul 3 - Celula flexibila de fabricatie (CFF).

Nivelul 4 - Sistem flexibil de fabricatie (SFF).

Nivelul 5 - Productie integrata cu calculatorul.

Nivelul 6 - Intreprindere integrata cu calculatorul.

Sisteme avansate

Modul de organizare a calculatoarelor pe cele patru nivele de conducere (de

conducere, de conceptie, de distributie, de productie) este prezentat in figura:

Trasatura definitorie a tuturor sistemelor avansate de fabricatie este data de

integrarea calculatorului in toate activitatile derulate de o societate.

Activitatile integrate prin intermediul calculatorului pot fi reprezentate si sub

forma unui copac.

CAC - Computer Aided Clamping   

CAD - Computer Aided Design

CAE - Computer Aided Engineering

CAI - Computer Aided Inspection

CAM - Computer Aided Manufacturing

CAQ - Computer Aided Quality

CAP - Computer Aided Planning

CAS - Computer Aided Service

CAT - Computer Aided Testing

CNC - Computer Numerical Control

DNC - Direct Numerical Control

In literatura de specialitate se fac referiri la cateva tipuri specifice de sisteme

avansate de fabricatie cum ar fi: JIT (Just in time) si ZD (zero Defect).Metoda exact la timp (JIT- Just in Time) - este o metoda de organizare si conducere a productiei care se bazeaza pe conceptul ca

fiecare piesa, subansamblu s.a.m.d. este disponibila la momentul necesar imbunatatind fluxul de materiale si distributia sa in sistemul de fabricatie. Un sistem JIT bine conceput integreaza toate functiile sistemului legate de fabricatie inclusiv cea de proiectare. Proiectantul poate imbunatati sistemul de productie folosind, de exemplu, cat mai multe piese comune.Dintre obiectivele generale ale sistemelor JIT se pot mentiona: reducerea stocurilor, reducerea costurilor legate de manipulare, evitarea intreruperilor.

Sistemul impune, pentru a putea fi implementat, controlul riguros al livrarii semifabricatelor, controlul calitatii acestora, controlul calitatii produselor rezultate precum si controlul fluxului de materiale. Metoda se utilizeaza cu metode bune in industria auto.

Metoda zero defecte (ZO-zero defecte) - implica realizarea unor produse fara defecte. O astfel de conceptie presupune masuri specifice in toate compartimentele incepand cu cel tehnic. Metoda s-a introdus cu rezultate bune in intreprinderile producatoare de echipamente militare si aeronautice.

Flexibilitatea in sistemele de fabricatie

Termenul de flexibilitate provine din termenul latin flexibilis cu semnificatia,in contextul sistemelor de fabricatie, suplu, capabil de modificari. Ca urmare flexibilitatea unui sistem de fabricatie exprima disponibilitatea sa de a se modifica in vederea adaptarii la noile sarcini de produc tie. O astfel de

trasatura a sistemelor moderne de fabricatie este impusa de existenta unei productii de serie si la comanda speciala cat si de variantele, din ce in ce mai multe, a unui produs.Evaluarea flexibilitatii sistemelor de fabricatie presupune analizarea celor doua componente: flexibilitatea de utilizare si cea de adaptare.

Flexibilitatea de utilizare - reprezinta probabilitatea de executare a unor sarcini de repoductie dintr-un nomenclator dat.

Flexibilitatea de adaptare - indica nivelul modificarilor sau reechiparilor care se opereaza asupra sistemului de fabricatie intial in scopul realizarii unor sarcini noi de productie.

Termenul de flexibilitate provine din termenul latin flexibilis cu semnificatia,in contextul sistemelor de fabricatie, suplu, capabil de modificari. Ca urmare flexibilitatea unui sistem de fabricatie exprima disponibilitatea sa de a se modifica in vederea adaptarii la noile sarcini de productie. O astfel de

trasatura a sistemelor moderne de fabricatie este impusa de existenta unei productii de serie si la comanda speciala cat si de variantele, din ce in ce mai multe, a unui produs.Cresterea gradului de flexibilitate, in conditii economice, este corelata cu conceptul de proiectare modularizata a echipamentelor care compun

sistemul de fabricatie. Acest concept de proiectare confera sistemului de fabricatie atributul variabil

Calitativ, flexibilitatea unui sistem poate fi apreciata apelandu-se la principiile

automatizarii intalnite in productia de serie:

.Integrabilitatea;

.Adaptabilitatea;

.Adecvarea;

.Conceptia dinamica.

Pentru intelegerea notiunii de sistem flexibil se evidentiaza doua concepte: cel de sistem si cel de structura variabila

Conceptul de sistem conduce la o structura alcatuita din subansamble.

Conceptul de structura variabila permite concilierea raportului

universalitate/specializare. Variabilitatea structurii permite programarea, din

totalul starilor posibile, a starii corespunzatoare, adecvata sarcinii momentane

de fabricatie.

Ce ne rezerva viitorul?

Specialistii din domeniu sunt unanimi de acord, asa cum s-a subliniat si in cadrul acestui material de mai multe ori, ca resursa umana este si va fi resursa cea mai importanta a unei organizatii reprezentand motorul principal in obtinerea, la cote superioare, a performantelor fiecarei organizatii.

Specialistii sunt de acord si asupra altui aspect, determinant pentru afirmatia anterioara, si anume faptul ca tehnologia, in special, si intreaga societate, in general, paseste intr-un alt ciclu de dezvoltare.

La sfarsitul secolului trecut in GS Report: Megatrends sunt analizate cateva directii principale de dezvoltare a omenirii. Legat de subiectul acestei carti se mentioneaza cateva dintre acestea:

transformarea societatii din cea de tip industrial in una informatizata;de la managementul de tip ierarhic la cel de tip retea;de la centralizare la descentralizare.

La baza lor stau cateva schimbari principale:

Industrial Society - Information Society

National Economy - World Economy

Forced Technology - High Tech/High Touch

Institutional Help - Self Help

Either/Or - Multiple Optim

Dihotomia "high-tech" si "high-touch" exprima, poate cel mai bine, perioada de

tranzitie dintre doua ere, cea mai veche societate industriala, si cea noua -societatea informatica.

Substantivele limbii sunt specifice societatii industriale. Ele trebuie inlocuite cu verbe. Substantivele reprezinta concepte despre "lucruri" in timp ce verbele semnifica actiune, transformare. In viitorul previzibil obiectele, asa cum ni le reprezentam astazi, vor inceta sa mai existe. Obiectele trebuie sa

conduca la conexiuni, procese si modele de schimbare.

O posibila traiectorie dupa care se dezvolta omenirea a fost figurata de Pierre TEILHARD DE CHARDIN (1881-1955), un calugar iezuit, geolog,paleontolog si filozof-teolog.A fost printre primii care au extins conceptul evolutiei de la Big Bang (Alpha) la Socializare si dupa (punctul Omega).

La baza teoriei sale se gaseste ideea evolutiei structurale a universului in straturi. Fiecare strat descrie modul in care sistemele devin din ce in ce mai complexe. La un anumit moment in complexificare fiecarui strat intervine un punct de origine, dar complexificare insasi continua pe un strat superior. Impreuna cu complexificare apare si dezvoltarea progresiva a constiintei (fig. 8)

Tehnologia bionica (TB). Conceptul referitor la sistemele tehnologice bionice

(STB) face o paralela cu sistemele biologice.Sistemul biologic etaloneaza, printre alte caracteristici, si pe cele de comportament autonome si spontane si armonia sociala in cadrul unei ierarhii bazata pe ordine. Celula este, structural, unitatea de baza care contine toate celelalte parti a sistemului biologic. Celulele sunt, din punct de vedere fundamental, similare, dar sunt diferentiate prin functiile specifice fiind astfel

capabile sa efectueze operatii multiple.Celulele, comparate cu caramizile unui edificiu, formeaza straturi

ierarhice in organism. Astfel, tesuturile (exemplu - tesutul muscular), formate prin combinare, dau nastere la organe ce au anumite functii (ex. inima).Organele, la randul lor, sunt grupate intre ele pentru a forma sistemele corpului omenesc (ex. sistemul digestiv creat din stomac si intestinele subtiri),

la randul lor sistemele furnizeaza organisme complexe.Stabilitatea mediului chimic intern a organismului este mentinuta prin reglarea reactiilor metabolice proprii. La nivelul celulei acest lucru se realizeaza de

enzimele fabricate de celule. Enzimele actioneaza ca si catalizatorii producand accelerarea/inhibarea reactiilor. Al doilea nivel de reglare este realizat prin intermediul hormonilor, secretati de celule, transportati prin fluidul corpului in diferite zone in care exercita o anumita actiune de natura

psihologica. Pentru exemplificare se evidentiaza schimbarea culorii la anumite animale ca raspuns la o primejdie. Sistemul nervos central intervine, in situatiile in care este nevoie de o reactie rapida la schimbarile mediului exterior, situatii in care reglarea hormonala, inceata, nu este eficienta.

Proprietatile sistemelor biologice, succint prezentate, au mai multe similitudini

cu modul de operare a unitatilor tehnologice (fig. ).

Unitatile obtin inputurile necesare din mediul "de fabricatie" si realizeaza, in

consecinta, operatiile necesare. Iesirea din aceste unitati se intoarce inapoi in mediul de fabricatie. Coordonatori, la fel ca enzimele, actioneaza astfel incat sa pastreze armonia. Programele de reglare, la fel ca si hormonii, includ politici sau strategii a caror efect asupra mediului este pe termen lung. Un

exemplu ar fi cel referitor la reasezarea echipamentelor tehnologice si implicit reconsiderarea fluxului tehnologic.

Unitatile tehnologice se comporta similar cu celulele - ca elemente de structura, prin aceea ca alcatuiesc structuri de control ierarhic la nivelul atelierului, fabricii, organizatiei etc. In aceste structuri fiecare strat ierarhic (nivel) suporta si este suportat de nivelurile adiacente. O directiva data la varful

structurii se transmite spre baza, trecand succesiv prin fiecare nivel intermediar, materializandu-se in sarcini. STB utilizeaza aceste elemente de paralelism in prelucrare pentru a evidentia aplicatiile si conceptele de modelare. Astfel, in acceptiunea lui Okino o fabricatie bionica va opera cu componente distributive (masini-unelte,AGV etc.) interconectate intr-un sistem "viu". Componentele, inclusiv piesele,

comunica si se informeaza una pe alta in legatura cu deciziile luate de ele insele. In principal, Okino, compara cunostintele, procesele pe care le au componentele cu informatia genetica. Astfel, informatiile specifice referitoare la modul de prelucrare/asamblare a unei piese sunt inmagazinate in produs si in

cadrul comunicatiei cu masinile se decide programarea prelucrarii/asamblarii.O piesa, cu aceste informatii, reprezentata printr-un element de modelare general, numit modelon, comunica si coopereaza cu modeloanele reprezentand resursele necesare (ex. scule, dispozitive, tehnologii etc.) pentru

a produce piesele fizice.

Extrapoland, considerand proprietatile biologice de crestere (morfologia) se poate concepe un mediu bionic de proiectare. De exmplu, o activitate de proiectare tipica poate fi realizata prin dezvoltarea specificatiilor la nivelul modelonului de varf (modelonul parinte). Acesta este urmat de submodeloanele

nivelurilor intermediare si de modelonul baza care executa operatiile asociate functiilor nivelului inferior in scopul realizarii specificatiilor transmise. Maniera de propagare a informatiilor se are in vedere de a fi

implementata printr-un proces de autoorganizare, in care modelonul superior transmite informatia celor de pe nivelurile inferioare printr-o informatie de tip ADN (acid deoxyribonucleic).

Fabrica fractala (FF). Cuvantul "fractal" reprezinta un termen relativ nou utilizat

in stiinta pentru a descrie organisme si structuri din natura care ajung la forme complexe prin utilizarea unui numar mic de elemente care se autoimita.Caracteristicile esentiale ale fractalilor sunt auto-organizarea, auto-optimizarea si dinamica.

Auto-asemanarea fractalilor consta nu numai in capacitatea de a reproduce detalii, la scara fina, dar si de a le reproduce in proportii cu o anumita constanta, fapt pentru care nu sunt chiar identici. Conceptul de fabricatie fractala se refera tocmai la caracteristicile fractalilor propunand o structura de

fabricatie compusa din componente mici, entitati fractale, ce pot fi descrise cu ajutorul proprietatilor fractalilor.Auto-organizare inseamna libertatea fractalilor in organizarea si realizarea sarcinilor. Ei pot alege singuri metodele de rezolvare a problemelor,inclusiv auto-optimizarea prin care iau in considerare imbunatatirea procesului.

Dinamica, o alta caracteristica, se refera la faptul ca fractalii se pot adapta la influentele mediului fara a fi obstructionati de structura organizatorica.Auto-asemanarea este interpretata prin aceea ca exista printre fractali tinte asemanatoare, conforme cu obiectivele, in fiecare unitate.

Cerinta unei functionari coerente a fractalilor este de asemenea indeplinita.Acest deziderat este materializat prin procesul de participare si coordonare a fractalilor, asigurat prin mecanismele ereditare care asigura consistenta tintelor considerate.

De fapt, conform Strauss si Hummel, fractalii au intotdeauna o structura de tipul "baza-varf". Unitatile de nivel inalt au in responsabilitate totdeauna acele sarcini care nu pot fi realizate de fractalii de nivel inferior.

Acest principiu garanteaza munca in echipa si forteaza distributia puterii si a

abilitatilor.

Cooperarea dintre intreprinderile fractale, in timpul operarii, este caracterizata,conform fig. 5, de o dinamica individuala inalta si abilitate maxima pentru a se adapta si reactiona la influentele mediilor respective. Aceasta abilitate este denumita in literatura de specialitate vitalitate. Este utilizata pentru a inregistra si evalua acele variabile interne a fractalilor care sunt influentati de mediu.

Aceasta informatie este utilizata pentru a masura caracteristicile pentru sase niveluri specifice a mediului de lucru: cultural, strategic, socio-informal, financiar,informational si tehnologic.

Fabrica fractala are un sistem flexibil si eficient de informare si navigare. Fractalii navigheaza in sensul de a controla constant zonele tinta, de a reevalua pozitia si progresul realizat si de a le corecta daca este necesar.

Ca urmare, structurile organizationale relevante sunt in mod continuu optimizate si adoptate de fiecare fractal individual ca urmare a oricarei schimbari.

Tehnologia holonica (TH). Cuvantul holon este rezultatul unei combinatii dintre holos (intreg in limba greaca) cu sufixul on, care asa ca in proton si neutron,sugereaza o particula sau o parte. Descrie natura hibrida a partilor/intregului in sistemele reale, adica statut de intreg pentru partile subordonate si cea de parte dependenta pentru un intreg cuprinzator care o contin. Observatia deriva din analiza ierarhiilor si a formelor intermediare stabile din organismele reale si organizatiile sociale. Reitereaza ideea ca este usor sa se identifice parti dintr-un intreg, dar intregi sau parti, in sens absolut, nu exista.

Cele doua atribute esentiale ale conceptului holonic sunt autonomia si cooperarea. Autonomia evidentiaza dispozitia totala pentru autoreglare in timp ce cooperarea pentru un comportament integrativ. Holonii pot fi definiti prin functiile (sarcinile) lor, iar modul de operare prin stabilirea unui set de reguli fixe si strategii flexibile.Aceste reguli determina configuratia lor structurala fixa si/sau modelul functional in timp ce strategiile definesc pasii permisi in activitatea holonului. Holonii, utilizand strategii flexibile, se autoregleaza si reactioneaza la schimbarile din mediu care sunt comunicate centrului de control. Centrul de control, ca raspuns, regleaza in mod continuu desfasurarea actiunii.Cativa din termenii, utilizati in literatura de specialitate, asociatii conceptului holonic sunt:Holon: Un bloc automat si cooperativ a sistemului de prelucrare pentru transformarea, transportarea, stocarea si/sau validarea informatiei si

obiectelor fizice. Holonul este o parte a procesului informational si adesea o parte a unui proces fizic. Un holon poate fi parte a altui holon.

Autonomia: Capacitatea unei entitati de a crea si controla executia planurilor/strategiilor proprii.

Cooperarea: Un proces in care un set de entitati dezvolta planuri mutuale acceptabile si le executa.

Holarhia: Un sistem de holoni care pot coopera pentru a atinge un obiectiv sau un scop. Holarhia defineste regulile de baza pentru cooperare si ca urmare limiteaza autonomia lor.

Sistem holonic de prelucrare: O holarhie care integreaza intreg spectrul de activitati asociate productiei incepand cu comanda, proiectarea,productia si terminand cu marketingul pentru a realiza o intreprindere prelucratoare agila.

Aplicatii ale conceptului tehnologiei holonice au fost testate, cu succes, pentru activitati de prelucrare, asamblare, transport etc.

Compararea conceptelor

Conceptele privind sistemul de fabricatie, care isi fac simtita prezenta la inceput de secol, deriva din sisteme naturale, de natura biologica sau sociala in raport cu care se pot evidentia anumite analogii. Cercetarile viitoare vor evidentia caracteristicile functionale ale lor si modul de proiectare.

Caracteristica esentiala a conceptelor prezentate este autoorganizarea. Hackman incearca sa clarifice raportul dintre diferite modalitati de organizare a fabricatiei si proprietatea amintita (fig. 13).

Tinand seama de cadrul prezentat in figura 6 se poate evidentia convergenta spre un anumit concept sau altul in functie de tipul unitatii ce se are in vedere. Astfel, holonii care, in principal, sunt formati printr-un proces de descompunere functionala a unui sistem pot fi asociati cu sarcina de executie a

unor entitati, situatie in care capacitatile de autofunctionare si autoconfigurare sunt limitate.

In cadrul TB se considera functiile celulei, la care autofunctionarea este caracteristica de baza. Pe de alta parte, caracteristicile entitatilor fractale au la baza ideea unei continue adaptari la schimbari (in business si in mediul de

operare).

Ca urmare fractalii pot fi priviti ca entitati cu capacitati de reconfigurare a lor la schimbarile mediului - unitati cu autoconducere.O comparatie privind trasaturile operationale ale conceptelor

mentionate este prezentata in tabelul 1

Din tabel se observa ca toate conceptele promoveaza unitatea in actiune prin coordonarea unor forme flexibile atat in directie laterala cat si in cea ierarhica. Existenta actiunii hormonale si enzimatice, in TB, promoveaza, in mod curent, obiective functionale intre celule si alte entitati (straturi) ierarhice. Un sistem de coordonare similar cu sistemul nervos central (SNC) poate fi intrezarit de asemenea (aspect ce nu este avut in vedere de TB). Trasaturile FF includ:obiective globale, formarea obiectivelor si trasaturi ereditare prin coordonare cu un fractal subsidiar. Coordonarea pe termen scurt poate fi obtinuta prin sisteme de tip JIT (Just In Time) si Kanban. In conceptul TH macroplanificarea este rafinata in

mod progresiv de holoni situatii pe nivelurile inferioare. Scopul coordonarii ierarhice este mai degraba de a integra actiunile unitatilor de control inferior si nu de a forma o structura de comanda si control.

Conceptele prezentate pledeaza, pentru sistemele de prelucrare,pentru structuri mai putin rigide, supuse reconfigurarii dinamice. Observatie importanta ce deriva din aceste concepte este nevoia de evaluare continua a organizatiei ca raspuns la aparitia unor evenimente neasteptate ce se pot produce in mediu. Asemenea evaluari sunt realizate de entitati organizationale in cooperare pentru a permite o restructurare dinamica.Trasarea generala a tuturor conceptelor descrise este flexibilitatea si

comunicarea.

Prin introducerea conceptului de Sisteme de Fabricatie Holonice (Holonic Manufacturing Systems - HMS) s-a urmarit extinderea prin similitudine a avantajelor conceptual sistemice pe care notiunea de holon le asigura pentru organismele vii si sistemele sociale:inteligenta,autonomie,coordonare,reconfigurare si flexibilitate.Bazate pe aceste caracteristici pricipala slabiciune in sistemele automate de fabricatie,fragilitatea,este astfel inlaturata astfel ca recuperarea in cazul unei defectiuni este realizata.

O diagrama tipica de desfasurare pentru HMES in instalatia de asamblare a semiconductorilor este prezentata in Fig.1.

Majoritatea studiilor privitoare la sistemele holonice de fabricatie (Markus 1996,Ramos 1996,Hino si Moriwaki 1999) s-au concentrat pe arhitectura de fabricatie si/sau cum sa atribuie o sarcina de productie fiecarui holon de fabricare.Scopul acestui articol este de a propune o metoda sistematica pentru dezvoltarea unui HMES functional aplicand software recente si tehnologiile informationale.Metoda sistematica incepe cu analiza sistemului prin colecatarea cadrului de cerinte si analiza domeniului de cunostinte. Holarhia HMES este proiectata prin procedura cronstruirii unui model de obiect abstract bazat pe un domeniu de cunostinte,impartind domeniul aplicatiilor in holoni functionali,identificand parti generice printre holoni functionali dezvoltand Holonul Generic,definind mesajele holarhiei si cadrul de dezvoltare al HMES si in final proiectand holoni functionali bazati pe Holonul Generic.Tehnologiile (Chen si Chen 1994,Gamma 1995,Mowbray 1995,Orfali 1996,Sparks 1996) de medii orientate-obiect distribuite,priectarea modelului,cadrului,arhitecturii client/server si software-ului component sunt aplicate pentru a dezvolta integral HMES si holonii sai functionali.

Caracteristicile holonului si holarhiei.

Termenul de "holon", o combinatie a doua cuvinte grecesti : holos (intreg) si sufixul on, sugerand o parte, sau o particula, a fost propus de Koestler (1967) in contextul sistemelor ierarhice deschise. Prin acestea, Koestler definea o structura organizationala generala, care putea sa explice evolutia si viata sistemelor biologice si sociale.

Conceptul de holon indica faptul ca fiecare "subintreg" actioneaza conform principiului lui Ianus: el coopereaza cu alte elemente pentru alcatuirea unui intreg mai mare (sau pentru rezolvarea unei probleme mai complexe) si, in acelasi timp, actioneaza pentru realizarea telului propriu, tratand situatiile aparute, fara a astepta instructiuni "de sus".

Holonul apare astfel ca o forma intermediara, caracterizata prin stabilitate proprie (fateta de " intreg ") si, in acelasi timp, prin tendinta de combinare ( atributul de " parte "). Celor doua fatete le corespund atributele de autonomie si respectiv cooperare.

Holarhia este o ierarhie de holoni, formata in mod recursiv.Holarhia se caracterizeaza prin :

-tendinta de crestere - posibilitatea si regulile de interactiune conduc la formarea automata de sisteme si la atragerea altor holoni;

-caracterul dinamic si existenta temporara - organismele vii (biologice si, mai ales, cele sociale ) isi pot schimba structura si sunt disecabile. Ele sunt caracterizate printr-o schimbare permanenta, iar legaturile dintre holoni pot reprezenta mesaje de comunicare, negocieri sau chiar agresiuni. Interactiunile sunt determinate de evenimente interne sau externe. In cazul in care echilibrul dinamic dintre autonomia si tendintele de integrare ale holonilor este perturbat, holonul poate parasi holarhia, sau aceasta se autoreorganizeaza;

-apartenenta multipla - un holon poate face parte din mai multe holarhii cu conditia sa respecte regulile fiecareia. Unele holarhii pot functiona ca ierarhii pure, iar altele pot fi sisteme heterarhice. In conditiile heterarhiilor, in cazul unei apartenente a unui holon la mai multe ierarhii pure, pot aparea confuzii, determinate de semnale de coordonare (interventii ) din surse diferite. Pentru aceste situatii, sunt posibile solutii bazate pe multiplexarea in timp, sau pe regulile de prioritate in luarea in considerare a interventiilor.

Sistemul de fabricatie holonic ( Holonic Manufacturing System - HMS ) pastreaza stabilitatea ierarhiilor pure si exploateaza flexibilitatea dinamica a sistemelor heterarhice. HMS este o holarhie care integreaza intreaga gama de activitati privind fabricatia, incluzand acceptarea comenzilor, proiectarea, productia si activitatile de marketing, in scopul de a realiza o intreprindere de fabricatie agila.

HMS nu reprezinta o noua tehnologie ci, mai degraba, o incercare de imbinare si utilizare a unor tehnologii existente (comunicatii bazate pe calculator, reglare descentralizata, agenti inteligenti , diagnoza bazata pe model etc.).

Autonomia

Capacitatea unei entitatati de a-si crea si controla executia propriilor planuri si/sau strategii.

Cooperarea

Un proces prin care un set de entitati dezvota planuri mutual acceptabile si executa aceste planuri.

Holarhia

Un sistem de holoni care pot coopera pentru atingerea unui scop sau obiectiv.Holarhia defineste regulile de baza pentru cooperarea holonilor si asadar le limiteaza autonomia

Sistem de fabricare holonic(HMS)

O holarhie care integreaza tot sirul de activitati de fabricatie de la registrul de comenzi la proiecatare,productie si marketing pentru a a realiza o intreprindere agila.

Caracteristicile holonilor

Atributele unei entitati care o fac un holon.Setul minim este autonomia si cooperarea.

Bazat pe definitiiele de mai sus,este clar ca un sistem de fabricare holonic poate fi privit ca o cale unificata pentru a se apropia de controlul ierarhic al oricarei unitati de fabricatie al proceselor de productie pana la nivelul intregii intreprinderi.

In acest articol,conceptele de holon si holarhie sunt adoptate pentru a realiza holarhia HMES asa ca holonii functionali ai HMES pot avea proprietatile inteligentei,autonomiei,cooperarii,reconfigurabilitatii si extensibilitatii.In plus pot avea capabilitatea de recuperare in caz de dezastru sau metode de securitate.

Procedura de dezvoltare a sistemelor holonice de executie a fabricatiei.

Asa cum se prezinta in fig.2 procedura de dezvoltare include 4 etape : (1)analiza de sistem

(2) proiectarea holarhiei, (3) construirea aplicatiei, (4) integrarea sistemului si testarea.

Prima etapa,analiza sistemului,se concentreaza pe colectarea domeniului cerintelor si analiza domeniului de cunostinte.

A doua etapa,cea mai importanta etapa,este proiectarea holarhiei,care este dizivata in 7 pasi.Modelul obiectului sistem este construit in concordanta cu domeniul cunostintelor si cerintelor.Domeniul aplicatiei este partitionat in componente care vor deveni eventual holoni functionali diferiti.Intre aceste componenente,functiile lor generice sunt mai departe identificate si extrase.Bazat pe aceste functii generice, este dezvoltat asa-numitul Holon Generic.Mesajele holarhiei printre holonii functionali sunt definiti si mediul holarhiei al HMES este dezvoltat.In final holoni diferiti pot fi proiectati pe mostenid Holonului Generic si implementand mesajele holarhiei.

Proiectara holarhiei

Sapte pasi sunt inclusi in etapa de proiectare.Ei sunt explicati in continuare.

Construirea modelului abstract

Este prezentat in fig.3 (a).Cele 4 elemente cheie ale fabricii sunt manopera,materia,echipamentul si productia in curs de fabricatie(WIP).Fiecare element este condus de cate un holon specific.Toti acesti 4 holoni sunt controlati de Holonul Shop-Floor(Sectia de productie).Acesta distribuie comenzi Holonului de inventar.Acesta distribuie sarcini catre Holonul Manopera,Material,Echipament si WIP.

Partitionarea domeniului de aplicatie in componente.

Pentru a proiecta un MES integrat si distribuit domeniul sau de aplicatie este impartit sistematic ca in fig.3(b).In plus de datele din depozit,sistemul este impartit in 6 componenete.Ele sunt managementul manoperei,al materiei,al echipamentului,al WIP-ului,planificatorului si nivelului de raion.Componentele manoperei,materiei si administrarii WIP-ului opereaza manopera,tranzactiile de matrial,echipamentele procesului,uramarirea WIP-ului.Componenta de planificare se ocupa de planificare si distribuirea sarcinilor catre sistem.Componenta de administrarea a sectiei de productie este ocupata cu serviciile si administrarea nivelurilor sistemului,administrarea comenzilor,serviciile ciclului de viata,de interogare si de colectie.Fiecare componenta de management are un holon specific,care serveste ca manager al acelei componente de management.

Dezvoltarea procedurii a asistemelor holonice de executie a fabricatiei

Identificarea functiilor generice printre componente.

Bazat pe principiul de reutilizare a software-ului (Chen and Chen,1994) Holonul Generic care opereaza functiile generice ale holonilor functionali va fi primul divizat.Dupa considerente judicioase,autorii au concis ca in plus la infracstructura de comunicatie,Holonul Generic va poseda mecanisme de securitate,de cautare,si inteligenta pentru a lucra cu functii generice care prezinta recuperare in caz de eroare si certificare a securitatii.

Modelul obiect al unui HMES.

Dezvoltarea holonului generic

Cerintele pentru dezvolatarea Holonului Generic sunt:

Poate construi infrastructura de comunicatii in scopul comunicatiei,colaborarii si extensibilitatii.

Furnizeaza mecanism de inteligenta pentru diagnoza de exceptie.

Furnizeaza mecanismul de cautare pentru colaborare si reconfigurare.

Produce mecanisme de securitate pentru verificare securitatii si protectiei informatiei.

Produce abilitatea de a stabili servicii pentru stocarea/extragerea informatiilor din baza de date

Conform cu aceste cerinte si urmarind procedura pentru sistemele orientate obiect se obtine urmatoarea diagrama a Holonului Generic si arhitectura interna.

Graficul claselor si arhitectura interna a holonului generic

Observand fig.4 (a) structura de baza a graficului de clase este HolonulKernel care administreaza/foloseste HolonConfiguration care contine: CORBAInterface,SecurityMEchanism,LocalDatabase si KnowledgeBase.Prin mostenire,HolonKernel,un holon functional poate procesa toate caracteristicile Holonului Generic.Interfata Corba este proiectata pentru a construi o infrastructura de comunicatie si achizitia platformei de colaborare.Pentru a stabili o comunicatie securizata,este creat Mecanismul de Securitate pentru manevrarea tuturor operatiilor de securitate.Baza de cunostinte construieste un motor de cautare pentru cautarea diferitelor servicii si un mecanism rezonabil pentru diagnoze de exceptie.Baza de date locala seteaza conectarea bazei pentru Mecanismele de Securitate si Baza de Cunostinte pentru a accesa baza de date.Pe de alta parte,arhitectura interna al Holonului Generic este prezentat in fig.4 (b).Se observa ca Holonul Generic detine Holonul Kernel pentru a comunica cu alti holoni prin Interfata Corba.Folosind Baza de date locala,Holonul Generic poate intretine proprietatile autonome si informatiile necesare.Mecanismul de securitate poate refolosi informatiile prin Baza de data locala si apoi sa verifice dreptul userului pentru certificarea securitatii.Mecanismul de inteligenta pentru scopul diagnozei de exceptie al Holonului Generic este in principal considerat in Baza de cunostinte care de asemenea trebuie sa suporte baza locala.Dupa incheierea proiectarii Holonului Generic pentru a obtine proprietati generice ale holonilor si apoi adaugand functii specifice acelui holon functional.

Definirea mesajelor holarhiei

Dupa partitionarea domeniului de aplicatie in componente,trebuie sa definim mesajele holarhiei printre holonii functionali astfel incat interoperabilitatea si colaborarea printre holonii functionali sunt activate.Conform cu fig.1 si 3(b) mesajele holarhiei ale HMES sunt definite ca in fig 5.Holonul

Shop-Floor primeste un mesaj de punerea a unui comenzi de la un user extern si acesta va raspunde cu raport de punere executat cand comanda este realizata.Bazat pe comanda primita Holonul shop-floor va trimite "trimite comanda" catre holonul planificator care va raspunde cu comanda executata cand aceasta va fi gata.Acesta trimite "salveaza informatiile despre comanda" catre depozitul de date pentru a salva toate informatiile despre comenzi.Similar,mesajele de interfata ale holarhiei ale holonul planificator,WIP,echipament,depozit si operator cu meterialul poate fi definit in fig.5.

Definirea mediului holarhiei al sistemelor de executie a fabricarii sistemelor

HMES este prezentat in fig.6 si utilizeaza infrastructura Corba ca sistem de comunicatie principal.Fiecare holon functional va mosteni holonul generic si va poseda proprietatile holonului precum si capabilitaitile recuperarii in caz de dezastru si certificare de securitate.Apoi,functiile specifice ale fiecarui holon functional poate fi adaugat individual pentru a deveni un holon functional.Mesajele holarhiei ale fiecarui holon functional pot fi specificate prin Corba Idl(Limbaj de definire al interfetei).Asadar,fiecare holon functional poate fi integrat in holarhia HMES intr-un mod plug-and-play.

Holarhia HMES este expandabila.Asa cum e ilustrata in partea stanga a fig.6,alti holoni functionali pot deasemenea fi integrati in holarhia HMES;daca acest holon functional mosteneste holonul generic si defineste holonul functional Corba Idl prin extinderea mesajelor holarhiei.In final aplicatiile HMES pot fi cu usurinta construite invocand holonii functionali prezentati la inceputul fig.6.

Definirea mesajelor holarhiei.

Mediul holarhiei al sistemelor holonice de executie a fabricatiei.

Proiectarea holonilor functionali

Ultimul pas al proiectarii holarhiei este proiectarea diferitilor holoni functionali bazati pe holonul generic.Asa cum a fost mentionat in sectiune precedenta,cu holarhia HMES devine usor de proiectat un holon functional prin mosternirea holonului generic,adaugand holonului functional functii specifice,si definindu-i IDL bazat pe mesajele holarhiei.In uramatorea sectiune este selectat holonul WIP xa exemplu pentru a realiza proiecaterea procedurii unui holon functioonal.

Proiectarea holonului WIP

Cerintele functionale pentru holonii WIP sunt:

Admnistreaza ciclul de viata al obiectelor WIP

Relizeaza uramrirea operatiilor de intrare-iesire si actualizeaza WIPul coresounzator in timp real

Furnizeaza informatii WIPutilizatorilor impreuna cu holarhia HMES

Interfetele ei sunt conform cu holarhia HMES

Poseda capabilitatile de recuperare de execptie si securitate

Graficul claselor holonului WIP este poiectat si prezentat in fig.7.

Portiunea de sus a fig.7. este holonul general care a fost proiectat si prezentat in fig.4 (a).WIPManager,care este rolul primar al intregului holon WIP,mosteneste holonul generic pentru a indeplini cerintele (4) si (5).WIPManager foloseste RecoveryManager pentru a reliza operatii specifice de recuperare.De asemenea adminstreaza cliclu de viata al obiecteor WIP si e preocuptat de uramrirea operatiilor de intrare-iesire.Un nou obiect WIP e creat cand un nou lot soseste.Obiectul WIP contine propriile atribute specifice ca LotID,BOM si ItemMaster.De asemenea realizeaza propriile operatii Trackin(),Trackout() si invocari NewVariables() metode ale BOM si ItemMAster pentru a obtine informatia de productie asociata.UserINterface produce operatiile necesare pentru userii externi pentru a comunica cu holonul WIP.

Observand fig.7 semnul + inaintea unei operatii insemna ca operatia e publica,si semnul - pentre operatie privata.In WIPManager operatiile publice sunt IDL ale sistemului iar UserInterface,operatiile publice indica functiile disponibile pentru userii externi.

Diagrama de stare arata toate starile posibile si tranzactiile sistemului.O schimbare a starii cauzata de un eveniment este numita o tranzitie.Figuta 8 (a) ilustreaza starile tranzitiilor holonului WIP.

Un utilizator initiaza holonul WIP apeland operatia Login() a UserInterface.Daca trece de certificarea de securitate,holonul WIP va activa serviciile Corba apeland SetInitialService() a holonului kernel.Apoi,sistemul este gata sa primeasca comenzile de creare ale obiectele WIP .

De fapt,functiile pricipale ale holonului WIP sunt cum sa urmareasca si sa administreaze WIP.Fig.8 (b) este diagrama de stare a ciclului de viata WIP.Cand WIPManager primeste CreateNewWIP() de la holonul planificator un nou obiect WIP este generat bazat pe datele transferate de la holonul planificator.Obiectul WIP foloseste operatia NewVariables() in BOM pentru a primi continuturile lui BOM.Obiectul WIP este completat si afiseaza starea "Asteapta cerere".

La starea "Asteapta cerere",obiectul WIP poate primi comenzi,ca track-in/out si interogare.Cererea de interogarea va aduce aduce obiectul WIP in starea "Afieseaza starea WIP".Track-in/out vor actualiza starea WIP si stoca in baza de date.

In timpul operatiei de track-in obiectul WIP va verifica daca secventa curenta a procesului este sau nu ultima.Daca nu e ultima,doar sare inapoi la starea "Asteapta cerere".Daca e ultima obiectul WIP va fi sters si memoria va fi golita.Asadar incheie cilcul de viata al obiectului WIP.

Observand fig. 8 (a) daca o exceptie se petrece si este detectata in timpul administrarii procesuluiWIP,sistemul va intra in starea de Diagnoza si apeleaza SetExceptionTest() a holonului kernel pentru a diagnostica exceptia.Daca cauza este identificata mecanismul de inteligenta al holonului generic,sistemul va intra in strea "Recuperare" si apeleaza operatiile de recuperare asociate implementate in RecoveryManager.Daca operatia de recuperare este cu succes sistemul va reveni la ultima stare operationala in care exceptia s-a petrecut,altfel sistemul va initia o alarma si apoi se va opri.

Construirea aplicatiei si integrarea sistemului

Asa cum s-au prezenta in fig.3 ultimele doua etape sunt construirea aplicatiei si integrarea sistemului.Observand partea de sus a fig. 6,cu avantajele holarhiei HMES,este evident ca aplicatiile pot fi construite invocand operatiile asociate holonilor.Acesti holoni vor coopera unul cu altul uramand mesajele holarhiei definite in fig.5.Diagrama de desfasurare,mesajele holarhiei si mediul holarhiei prezentat in fig 1,5 si 6 au fost implementate si rulate cu succes in Laboratorul de Automatizari al Fabricii al Institutului de Inginerie a Fabricatiei,Univeritatea Nationala Cheng Kung,Tainan,Taiwan,China.

Comparatii intre mostenirea MES,cadrul MES si MES holonic

Aceste concepte si/sau tehnologii de OOAD,componente software,cadru,holon,holarhie,certificat de securitate,recuperare in caz de defect au fost luat in calcul in dezvolatarea HMES.In acesta sectiune,

sunt prezentate comparatii caracteristice intre mostenirea MES,cadrul MES si MES holonic.

Asa cum e indicat in Tabelul 1,mostenirea MES se refera la produsele comerciale ca Promis,WorkStream si Poseidon.Cadrul MES vine de la Encore,SiView si FactoryWorks.

Arhitectura

Privind arhitectura,mostenirea MES este un sistem centralizat.Toate calculele si operatiile sunt executate intr-un mainfram de scara larga.Cadrul MES apartine unui sistem de obiecte distribuite care imparte toate functiile in modele variate individuale.Calculele si operatiile sunt de asemena distribuite pentru fiecare model.In acest fel,cadrul MES scade incarcarea pe fiecare mainframe si creste rezistenta sistemului.De asemenea,cadrul MES evita defectarea integului sistem cauzat de o distrugerea unui singur modul.MES holonic este proiectat cu conceptele holonului si holarhiei.Are avantajele sistemelor distribuite orientate-obiect precum si carcteristicile de inteligenta,autonomie,coordonare.Asadar,adaptabilitatea holonului MES poate indeplini cerintele si tendintele viitoarelor sisteme de fabricatie.

Interfete deschise

Cand se considera interfetele,mostenirea MES este un sistem inchis in timp ce cadrul MES si Holonic MES sunt sisteme deschise.Sistemele cu interfata deschisa au avantajele usurintei de operare si legatura cu alte module sau sisteme inrudite.

Modularizarea

Proiectarea modulara este foarte importanta pentru dezoltarea sistemului software.Cu componentele software utilizatorii pot aplica modulele neceare pentru atingerea scopului.Acest lucru este benefic pentru proiectare si intretinere.Ambel Framework MES si Holonic MES utilizeaza proiectarea modulara in afara de Legacy MES.

Interoperabilitatea

Un sistem distribuit bazat pe obiecte are multe module functionale de care are nevoie pentru a opera unul cu altul.Framework MES si Holonic MES sunt sisteme distribuite,asadar interoperabilitatea lor cu module distribuite este esentiala.

Configurabilitatea

Configurabilitatea este importanta pentru un sistem de fabricatie pentru a lucra cu un mediu dinamic,variat si cu rapide schimbari. Framework MES si Holonic MES sunt mai usor de configurat ca Legacy MES.

Intretinerea

Pentru Legacy MES nu e usor sa repari si sa intreti din moment ce are un sistem centralizat si la scara mare.Pentru Framework MES si Holonic MES intretinerea este mai usoara pentru ca sunt sisteme distribuite si fiecare componenta a sistemului poate opera singura si intretinuta separat.

Certificatul de securitate

Problema securitatii devine din ce in ce mai serioasa.In Holonic MES abilitatea certificarii securitatii este integrata in proiectarea holonului generic deci este natural ca pentru toti holonii functionali sa posede capabilitatea certificarii securitatii.

Recuperare in caz de dezastru

Fiabilitatea este dintotdeauna cea mai importanta problema pentru sistemele de fabricatie automate.Din moment ce e o conditie de exceptie care cauaza ca intreaga linie de productie sa se opreasca,pierderea este peste evaluare.

Ca rezultat,un bun set de cerinte MES cer un mecanism de recuperare in caz de dezastru deci la minimizarea pierderii cauzate de intamplarea unor conditii de exceptie.Printre aceste 3 tipuri MES,doar Holonic MES incorporeaza capabilitatea de recuperii in caz de dezastru in proiectarea.

Concluzii

Bazat pe caracteristicile holonului si holarhiei si aplicand tehnicile orientata-obiect distribuita,acest articol propune o cale sistematica pentru dezvolatrea HMES cu certificarea securitatii si considerentele recuperarii in caz de dezastru.Fundatia de baza cere pentru dezvolatrea HMES posedarea caracteristicilor holonului si holarhiei.

Dezvolatarea procedurii HMES care consista din analiza sistemului,proiecatrea holarhiei,construirea aplicatiei si integrarea sistemului si etapele testarii.Printre acete etape,proiecatarea holarhiei este cea mai importanta si consta din 7 pasi: (1) construirea unui obiect model abstract (2) impartirea domeniului aplicatiei in componente (3) identificarea functiilor generice printre componente (4) dezvolatrea holonului generic, (5) definirea mesajelor holarhiei (6)definirea cadrului holarhiei si (7) proiectarea holonilor functionali.Holonul WIP,ca exemplu de holon functional,este dezvoltat pentru demonstratie.Sunt realizate comparatiile dintre Framework MES,Holonic MES si Legacy MES.Ele releva ca acesta cale sistematica furnizeaza un nou concept pentru dezvolatea urmatoarei generatii de sisteme de executie a fabricatiei.