Zrozumienie inżynierii systemowej

W poprzednich artykułach omówiliśmy znaczenie zarządzania wymaganiami w projektach inżynierskich oraz konieczność projektowania produktów z myślą o ich produkowalności. Ważne jest, aby zdawać sobie sprawę, że projektowanie produktu elektronicznego to nie tylko zadania związane z projektowaniem elektronicznym, ale również szereg działań obejmujących wiele dyscyplin, takich jak projektowanie mechaniczne, rozwój oprogramowania i firmware, projektowanie logiki programowalnej, symulacje oraz inne obszary, takie jak zarządzanie projektem, marketing i sprzedaż.

W tym artykule przejdziemy przez różne obszary zaangażowane w projekt inżynierski oraz różne etapy rozwoju produktu elektronicznego z punktu widzenia realizacji projektu. Obejmuje to fazę inicjacji, jak również planowanie, monitorowanie, projektowanie i rozwój, walidację, testowanie i certyfikację, wśród innych.

Rozwój Produktu Elektronicznego: Czym jest Inżynieria Systemowa?

Inżynieria systemowa to strukturalne, interdyscyplinarne podejście do rozwijania skomplikowanych produktów, które wymagają koordynacji między wieloma dziedzinami technicznymi i nietechnicznymi. W kontekście rozwoju produktów elektronicznych zapewnia, że sprzęt, oprogramowanie, projektowanie mechaniczne, firmware, zgodność oraz nawet procesy biznesowe współpracują ze sobą spójnie. Podkreśla jasne wymagania, zdefiniowane fazy rozwoju, solidne strategie integracji oraz zarządzanie cyklem życia, aby dostarczyć niezawodne, możliwe do wyprodukowania i gotowe na rynek produkty. Stosując inżynierię systemową, zespoły mogą dostosować wysiłki techniczne do celów biznesowych i zmniejszyć kosztowne problemy na późniejszych etapach.

Poniżej znajduje się lista kluczowych ról w projekcie rozwoju produktu i ich głównych funkcji.

Zarządzanie projektem

Odpowiedzialne za planowanie projektu (mapa drogowa, kamienie milowe), koordynowanie zadań między działami, zarządzanie zasobami i konfiguracją, śledzenie projektu oraz raportowanie postępów lub opóźnień kierownictwu.

Zarządzanie produktem

Ten obszar definiuje wymagania i funkcjonalność produktu, współpracuje ze sprzedażą i marketingiem nad benchmarkingiem produktu (cena, funkcje, projekt) oraz dostosowuje projekt do strategii biznesowych i marketingowych. Zapewnia również, że finalny produkt spełnia cele strategiczne.

Marketing i sprzedaż

Każdy produkt przeznaczony do komercjalizacji wymaga badań rynku i pozycjonowania. Ten dział zajmuje się strategiami cenowymi, kanałami sprzedaży i kampaniami wprowadzającymi.

Inżynieria sprzętu

Zespół zajmujący się sprzętem definiuje architekturę systemu (CPU, pamięć, sensory, łączność itp.), dobiera komponenty elektroniczne (we współpracy z inżynierami łańcucha dostaw i produkcji), projektuje schematy i układy PCB, wykonuje symulacje integralności sygnału i zasilania oraz wspiera testowanie walidacyjne i certyfikacyjne.

Inżynieria Oprogramowania

W projektach rozwoju produktów elektronicznych zwykle występuje rozwój oprogramowania na niskim poziomie (który obejmuje bootloadery, sterowniki niskiego poziomu itp.) oraz komponent rozwijania oprogramowania na wysokim poziomie (takie jak system operacyjny, aplikacje i skrypty). Prace te spadają pod dział rozwoju oprogramowania, chociaż często zdarza się, że obszary oprogramowania wbudowanego i oprogramowania wysokiego poziomu są dość wyraźnie oddzielone.

Projektowanie Mechaniczne/Przemysłowe

Inżynierowie zajmujący się projektowaniem mechanicznym lub przemysłowym projektują obudowę produktu, dobierają materiały i wykończenia, analizują kompatybilność z elektroniką (interferencje mechaniczne, umiejscowienie złączy, przyciski itp.), ergonomię oraz zarządzanie ciepłem (rozpraszanie ciepła dla procesorów, baterii).

Jakość i Zgodność

Aby produkt mógł zostać wprowadzony na rynek, musi spełniać obowiązkowe normy i regulacje, takie jak oznakowanie CE, regulacje FCC, RoHS itp. Ponadto należy przeprowadzić testy środowiskowe (temperatura, wilgotność, wibracje), testy udarowe, oceny IPx oraz specyficzne certyfikacje (Wi-Fi, Bluetooth). Dział Jakości i Homologacji jest odpowiedzialny za wszystkie te działania, jak również za kontrole jakości materiałów, procesów i produktu końcowego.

Inżynieria Produkcji

Po zakończeniu wszystkich faz projektowania i walidacji nadszedł czas na produkcję. Odpowiada za to dział produkcji, który zajmuje się nie tylko samą produkcją, ale również projektowaniem wszystkich niezbędnych procesów dla fabrykacji, montażu, testowania i więcej.

Łańcuch Dostaw

Nie mniej krytycznym zadaniem jest zarządzanie łańcuchem dostaw, które obejmuje zarządzanie dostawcami i ich kwalifikację, pozyskiwanie wszystkich niezbędnych komponentów produkcyjnych, analizę ryzyka dostaw, kontrolę przestarzałości komponentów (zarządzanie cyklem życia), zarządzanie zapasami i planowanie zakupów. Wszystkie te działania są obsługiwane przez dział Łańcucha Dostaw.

Jakie są fazy projektu rozwoju produktu elektronicznego?

Jak wspomnieliśmy we wstępie, projekt rozwoju produktu elektronicznego to proces, który obejmuje różne obszary, każdy z określonymi zadaniami. Dlatego projekt jest podzielony na odrębne fazy, aby rozbić zadania wysokiego poziomu na mniejsze, zarządzalne. Te mniejsze zadania są następnie realizowane przez różne zespoły robocze, co zapewnia terminowe ukończenie i jakość.

Projekt inżynierski powinien być co najmniej podzielony na następujące fazy:

1. Definicja i spotkanie rozpoczynające (KOM)
2. Planowanie
3. Projektowanie
4. Prototypowanie
5. Walidacja
6. Industrializacja
7. Wprowadzenie

1. Definicja Produktu

Podczas tej wstępnej fazy, kluczowe pytania brzmią: Jakim celom ma służyć produkt i jaką rzeczywistą potrzebę ma zaspokajać? Jeśli nie ma solidnych odpowiedzi na te pytania, rozpoczęcie projektu może nie być warte zachodu. W przeciwnym razie, po dogłębnej analizie (obejmującej identyfikację potrzeb, konkurentów, niezbędnych zasobów, harmonogramów rozwoju i kosztów rozwoju produktu) zwoływane jest Spotkanie Rozpoczęcia Projektu (KOM). Tutaj projekt jest oficjalnie prezentowany, wraz z zespołem projektowym, zakresem, kluczowymi datami (start, koniec i kamienie milowe), szacunkami kosztów, docelowym klientem lub konkretną potrzebą, którą produkt ma zaspokoić. To spotkanie oficjalnie oznacza rozpoczęcie projektu.

Następnym i prawdopodobnie najważniejszym krokiem jest definicja wymagań projektowych. Wszystkie zdefiniowane wymagania razem będą tworzyć specyfikację produktu, która posłuży jako dokument podstawowy dla rozwoju produktu.

2. Planowanie Projektu

Planowanie projektu jest kluczowe dla wykonania, zapewniając, że wszystkie zaangażowane strony są świadome harmonogramów rozwoju i kluczowych kamieni milowych. Co ważniejsze, podkreśla zależności między dyscyplinami, szczególnie przy integracji sprzętu z oprogramowaniem układowym lub komponentami mechanicznymi. Projekty często wykorzystują metodyki zwinne lub wodospadowe do planowania. Altium Develop oferuje narzędzie do zarządzania zadaniami (podobne do tablicy Kanban), które może być bezpośrednio powiązane ze schematami i układami. Usprawnia to przepływ pracy i eliminuje potrzebę korzystania z zewnętrznych narzędzi.

3. Projektowanie produktu

Gdy mówimy o projektowaniu, nie ograniczamy się tylko do samego projektu sprzętowego, ale do projektowania wszystkich zintegrowanych części lub dyscyplin, które łączą się, aby stworzyć produkt. Obejmuje to projektowanie sprzętu, projektowanie mechaniczne, projektowanie termiczne, firmware i oprogramowanie.

Każdy proces projektowy zaczyna się od wstępnego projektu koncepcyjnego – diagramu przedstawiającego ogólną architekturę tworzonego produktu. Diagram ten służy nie tylko do strukturyzacji projektu, ale również umożliwia podział na bardziej wyspecjalizowane zadania, takie jak "projektowanie anteny PCB dla obwodu BLE" czy "projektowanie zasilania". Gdy architektura jest jasna, zespół przechodzi do szczegółowego projektowania. Obejmuje to tworzenie schematów, dobór komponentów, przeprowadzanie symulacji, pisanie kodu, projektowanie PCB, przeprowadzanie analiz termicznych oraz symulacje integralności sygnału i mocy.

Jeśli podczas tych symulacji zostaną znalezione jakiekolwiek niedociągnięcia, proces projektowy jest iterowany, aż symulacje przyniosą pozytywne wyniki.

4. Prototypowanie i integracja

Kolejnym krokiem jest zbudowanie wstępnego prototypu, który obejmuje wszystkie obszary techniczne:

• PCB / PCBA (Płytka Drukowana / Montaż Płytka Drukowana)
• Obudowa Druk 3D
• Wydanie Oprogramowania / Firmware

Gdy wersja każdego komponentu jest gotowa, nadszedł czas na zintegrowanie wszystkiego i stworzenie pierwszego funkcjonalnego prototypu.

5. Testowanie i Walidacja

Gdy prototyp jest funkcjonalny i przeszedł wstępną podstawową weryfikację, zespół walidacyjny wykonuje kompleksowy zestaw testów i ocen w celu potwierdzenia jego poprawnego działania. Prawidłowa definicja testów wiąże się z przypisaniem każdego testu do konkretnych wymagań, zapewniając, że każde wymaganie ma jeden lub więcej powiązanych testów do weryfikacji i walidacji. Ta walidacja wykracza poza samą funkcjonalność, obejmując inne aspekty, takie jak testy elektryczne, oceny termiczne, testy integralności sygnału, testy kompatybilności elektromagnetycznej (EMC), stres mechaniczny i trwałość obudowy.

6. Faza Industrializacji

Jeśli walidacja zakończy się sukcesem i nie są potrzebne żadne przeprojektowania, nadszedł czas na industrializację produktu, co oznacza przekształcenie go w przedmiot możliwy do produkcji masowej. Kluczowe jest, aby wymagania dotyczące Projektowania pod Kątem Produkowalności (DFM) były brane pod uwagę już na etapie projektowania, aby uniknąć nieoczekiwanych niespodzianek, które mogłyby wymagać przeprojektowania produktu z powodu problemów produkcyjnych. 

Ponadto procesy produkcyjne związane z wytwarzaniem produktu muszą zostać zweryfikowane. Obejmuje to sprawdzenie ich niezawodności na przestrzeni dużej serii produkcyjnej. Zazwyczaj wytwarza się znaczącą próbkę od 500 do 1000 jednostek i poddaje ją kompleksowej walidacji, przy czym wyniki każdej wyprodukowanej sztuki są przeglądane, a każdy proces jest weryfikowany.

Ten etap to również moment, w którym uzyskuje się wszystkie niezbędne certyfikaty (pamiętając, że przepisy różnią się w zależności od kraju lub regionu) oraz finalizuje umowy dostaw z dostawcami komponentów.

7. Wprowadzenie produktu na rynek

Wprowadzenie produktu na rynek to nie tylko jego wyprodukowanie i wysłanie do klienta. Udane wprowadzenie na rynek obejmuje serię kluczowych kroków, które mogą zadecydować o jego ostatecznym sukcesie lub porażce, nawet w przypadku dobrze zaprojektowanego produktu.

Kluczowe jest staranne zaplanowanie wprowadzenia, utrzymanie solidnej kontroli jakości nad wyprodukowanymi częściami, ustanowienie skutecznych kanałów sprzedaży, zarządzanie zwrotami gwarancyjnymi, zapewnienie doskonałej obsługi klienta i wsparcia technicznego, prawidłowe obsługiwanie przyszłych aktualizacji oraz świadome podejście do kwestii środowiskowych związanych z logistyką produktu (opakowania, transport i recykling).

Wnioski

• Rozwój produktów elektronicznych wiąże się z licznymi interesariuszami

W rozwoju produktów elektronicznych, inżynierowie zajmujący się projektowaniem sprzętu to nie jedyne elementy układanki. Zespół zazwyczaj obejmuje przynajmniej inżynierów elektroników, projektantów przemysłowych, programistów firmware/oprogramowania, specjalistów od symulacji, zespoły produkcyjne, zapewnienie jakości, sprzedaż, logistykę i planowanie.

• Rozwój produktu elektronicznego wymaga wielu etapów

Rozwój produktu elektronicznego wymaga serii sekwencyjnych kroków, zaczynając od definicji wymagań, przez projektowanie, prototypowanie, testowanie walidacyjne, aż po industrializację i wprowadzenie produktu na rynek.

Na szczęście, nie jesteś sam w tym całym procesie.Odkryj, jak Altium Develop może Cię wspierać na każdym etapie rozwoju Twojego produktu.