Проектирование автоматизированных систем производства

ПРОЕКТИРОВАНИЕ 
АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ 
СИСТЕМ 
ПРОИЗВОДСТВА

В.Л. КОНЮХ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Москва
КУРС
ИНФРА-М 
2019

Допущено  
Учебно-методическим объединением вузов по образованию  
в области автоматизированного машиностроения (УМО АМ)  
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений,  
обучающихся по направлению 
«Автоматизированные технологии и производства»

УДК 621(075.8)
ББК 34.5
 
К64

Конюх В.Л.
Проектирование автоматизированных систем производства: Учеб. 
пособие / В.Л. Конюх. — М.: КУРС : ИНФРА-М, 2019.  — 312 с. – 
DOI 10.12737/2510 (www.doi.org).
ISBN 978-5-905554-53-7 
(КУРС, print)
ISBN 978-5-16-009624-7 
(ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-100905-5 
(online)
В пособии изложены особенности и методология проектирования 
автоматизированных систем: от выработки концепции автоматизации до 
ввода в промышленную эксплуатацию. Разработан метод оценки целесообразности автоматизации производства по изменению затрат живого и 
овеществленного труда. Кратко описаны программно-аппаратные средства интегрированных систем автоматизации и способы обеспечения их 
совместимости. Раскрыты методы поиска, выбора и проверки проектных 
решений, программирования устройств управления на языках стандарта 
IEC 61131. Описаны этапы создания системы SCADA c учетом психофизиологических ограничений человека-оператора. Методология проектирования показана на примере создания автоматизированной системы 
гибкого производства. Раскрыты содержание проектной документации и 
порядок ввода автоматизированной системы в эксплуатацию. Даны вопросы для самопроверки усвоения изложенного материала.
Для студентов машиностроительных вузов, специалистов в области 
проектирования и внедрения автоматизированных систем производства. 
Будет полезно студентам средних профессиональных учебных заведений.

УДК 621(075.8)
ББК 34.5 

К64

© КУРС, 2014, 2019

ISBN 978-5-905554-53-7 (КУРС, print)
ISBN 978-5-16-009624-7 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-100905-5 (online)

Р е ц е н з е н т ы : 
кафедра информационных и автоматизированных производственных
систем Кузбасского государственного технического университета  
(зав. кафедрой, др техн. наук, проф. В.А Полетаев);  
канд. техн. наук О.В. Сердюков (ЗАО «Модульные системы Торнадо»)

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9

Г Л А В А 1. ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОТЫ НАД ПРОЕКТОМ . . . . . . . . . . . . .
12

1.1. Аспекты проектирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
1.2. Терминология. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
1.3. Развитие методов проектирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
1.4. Последовательность проектирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
1.5. Распределение проектных работ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
1.6. Управление проектными работами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22

Г Л А В А 2. ЭТАПЫ СОЗДАНИЯ ПРОЕКТА. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28

2.1. Формирование концепции автоматизации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
2.2. Проведение предпроектного анализа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
2.3. Разработка технического задания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34
2.3.1. Диалог заказчика с проектировщиком . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34
2.3.2. Содержание технического задания. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38
2.4. Эскизное проектирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44
2.5. Разработка технического проекта и рабочей документации . . . . . . . .
46

Г Л А В А 3. ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48

3.1. Отличия от проектирования механических систем . . . . . . . . . . . . . .
48
3.2. Этапы развития систем управления. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
49
3.3. Аппаратные и программируемые устройства управления . . . . . . . . . .
52
3.4. Проектирование встраиваемой системы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
54
3.5. Проектирование распределенной системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
59
3.6. Типичные ошибки проектировщика автоматизированной системы . . .
62

Г Л А В А 4. МЕТОДОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ. . . . . . . . . . . . . . . . . .
66

4.1. Структурноступенчатый подход . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
66
4.2. Блочноиерархический подход . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
67
4.3. Системный подход . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
71
4.4. Проектирование путем имитации и анимации . . . . . . . . . . . . . . . . .
73

3

4.5. Объектноориентированное проектирование . . . . . . . . . . . . . . . . . .
76
4.6. Функциональноблочный подход . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
83

Г Л А В А 5. ОЦЕНКА ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ АВТОМАТИЗАЦИИ . . . . . .
87

5.1. Подготовленность производства к автоматизации . . . . . . . . . . . . . . .
87
5.2. Выявление источников эффективности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
93
5.3. Живой и овеществленный труд. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.4. Критерий роста производительности общественного труда. . . . . . . . . 102
5.5. Границы целесообразности автоматизации. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

Г Л А В А 6. ВЫБОР СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

6.1. Формирование «дерева целей» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.2. Датчики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.3. Устройства управления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
6.4. Исполнительные устройства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
6.5. Системы радиочастотной идентификации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6.6. Передача цифровой информации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
6.7. Модель выбора средств автоматизации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
6.8. Обеспечение совместимости средств автоматизации . . . . . . . . . . . . . 124

Г Л А В А 7. ИНТЕГРИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРЕДПРИЯТИЯ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

7.1. Согласование динамики производства и поставок. . . . . . . . . . . . . . . 126
7.2. Интеграция систем проектирования и производства . . . . . . . . . . . . . 128
7.3. Информационная технология организации производства. . . . . . . . . . 132
7.4. Интеллектуализация автоматизированных систем . . . . . . . . . . . . . . . 138
7.5. Гибкость, открытость и прозрачность автоматизированной системы . . 145
7.6. Направления развития автоматизированных систем производства. . . . 146

Г Л А В А 8. ПОИСК, ВЫБОР И ПРОВЕРКА ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ. . . 151

8.1. Классификация методов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
8.2. Ненаправленный поиск . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
8.3. Направленный поиск . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
8.4. Критерии выбора проектного решения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
8.5. Функциональностоимостный анализ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
8.6. Моделирование проектных решений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

Г Л А В А 9. ПРОГРАММИРОВАНИЕ УСТРОЙСТВ УПРАВЛЕНИЯ . . . . . . 171

9.1. Переход от словесного к формальному описанию процесса управления
171
9.2. Формирование логических функций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
9.3. Распознавание технологических ситуаций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
9.4. Программирование на языках стандарта IEC 61131. . . . . . . . . . . . . . 185
9.5. Перепрограммирование через канал обмена информацией. . . . . . . . . 193

Г Л А В А 10. ЧЕЛОВЕКОМАШИННЫЙ ИНТЕРФЕЙС . . . . . . . . . . . . . . 195

10.1. Взаимодействие оператора с компьютером . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
10.2. Задачи и возможности систем SCADA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199

4

10.3. Проектирование системы SCADA для автоматизированного производства. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
10.4. Информационное взаимодействие технических средств автоматизации
и программного обеспечения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206

Г Л А В А 11. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ 209

11.1. Классификация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
11.2. Поддержка систем автоматизированного проектирования. . . . . . . . . 211
11.3. Система управления автоматизированным проектированием . . . . . . 214
11.4. Проектирование как этап жизненного цикла . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
11.5. CALSтехнология в проектировании . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
11.6. Автоматизация проектирования электрических соединений . . . . . . . 221
11.7. Автоматизация программирования устройств управления . . . . . . . . . 222
11.8. Шаблоны проектирования автоматизированной системы . . . . . . . . . 227

Г Л А В А 12. ПРОЕКТИРОВАНИЕ
АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ
СИСТЕМЫ
УПРАВЛЕНИЯ ГИБКИМ ПРОИЗВОДСТВОМ . . . . . . . . . . . . 232

12.1. Разработка концепции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
12.2. Проведение предпроектного анализа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
12.3. Составление технического задания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
12.4. Разработка эскизного проекта. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
12.5. Создание системы SCADA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
12.6. Организация информационного обмена . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
12.7. Моделирование работы автоматизированного производства . . . . . . . 249
12.8. Оценка надежности автоматизированной системы. . . . . . . . . . . . . . 252
12.9. Обеспечение безопасности и отказоустойчивости . . . . . . . . . . . . . . 255

Г Л А В А 13. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ . . . 260

13.1. Абстрактная и реальная автоматизированные системы. . . . . . . . . . . 260
13.2. Содержание документов с результатами проектирования . . . . . . . . . 261
13.2.1. Системные решения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
13.2.2. Организационное обеспечение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
13.2.3. Техническое обеспечение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
13.2.4. Информационное обеспечение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
13.2.5. Программное обеспечение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
13.2.6. Математическое обеспечение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
13.3. Презентация результатов проектирования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
13.4. Экспертиза проекта . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
13.5. Монтаж и наладка системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
13.6. Испытания, опытная эксплуатация и приемка автоматизированной
системы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281

Заключение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286

5

Вопросы и задания для самопроверки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288

Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294

Приложения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295

1. ГОСТ 34.601—90. Автоматизированные системы. Стадии создания . . . . 295
2. Титульный лист технического задания на проектирование автоматизированной системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
3. Некоторые стандарты Международной электротехнической комиссии
(IEC) в области проектирования автоматизированных систем производства. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
4. Словарь англоязычных сокращений в области проектирования автоматизированных систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305

Никто не обнимет необъятного.

Козьма Прутков. «Плоды раздумья»

ПРЕДИСЛОВИЕ

Слово
«проектирование»
происходит
от
латинского
слова
«projectus» (брошенный вперед) и означает детализацию выдвинутой идеи, которая станет достаточна для ее реализации.
В быстро изменяющемся мире изменилась и работа проектировщика. Если раньше достаточно было приспосабливать типовые
проекты к конкретным объектам проектирования, то теперь требуется вырабатывать оригинальные проектные решения, способные
как можно дольше обеспечить конкурентоспособность заказчика.
Особенно
изменилось
проектирование
автоматизированных
систем. С появлением микропроцессорной техники произошел переход от централизованных систем автоматизации к распределенным. Аппаратные устройства управления уступают место программным устройствам, требующим совершенно других методов
проектирования. Благодаря переходу к программируемой автоматике стали быстрее развиваться технические средства автоматизации и способы их привязки к технологическим процессам. Системы автоматизированного проектирования все больше ориентируются на непрограммирующего проектировщика, освобождая его от
рутинной работы. Происходит интеграция компьютерных систем
проектирования, производства и анализа процесса эксплуатации
автоматизированной системы.
Содержание пособия отражает проектирование автоматизированных систем логического управления технологическим оборудованием. Непрерывные процессы управления не столь разнообразны. Они лучше проработаны и присущи нижнему уровню автоматизации. Часто их сводят к дискретным процессам. Не рассмотрены автоматизированные системы управления бизнеспроцессами,
для проектирования которых применяют иные подходы. Ввиду
стремительного обновления программноаппаратных средств автоматизации, спроектированных их поставщиками, не приведены характеристики средств автоматизации и методики их расчета. Боль7

ше внимания уделено методологии проектирования автоматизированных систем.
Рассмотрены терминология, последовательность и организация
проектных работ, различные подходы к проектированию. Проектировщик автоматизированных систем должен выявить у технолога
особенности производства с позиции автоматизации, владеть знаниями о возможностях современных программноаппаратных средств
автоматизации, уметь компоновать из них работоспособную систему автоматизации производства, оценивать источники эффективности автоматизации. Проектирование автоматизированной системы производства сводится к решению таких задач, как распознавание возникающих технологических ситуаций ограниченным набором датчиков, реализация процесса управления автоматической
системой, формирование достаточного для управления набора команд. При проектировании автоматизированных систем надо знать
и соблюдать стандарты Международной электротехнической комиссии (IEC). Представлена информация об интеграции уровней
автоматизации производства и уровней управления предприятием,
объектноориентированном подходе к проектированию, интеллектуальных автоматизированных системах, о представлении распределенной системы управления совокупностью функциональных
блоков, методах генерирования, моделирования и выбора проектных
решений,
визуализации
производства
cистемой
SCADA,
CALSтехнологии,
программировании
устройств
управления
на
языках стандарта IEC 61131. Разработаны шаблоны проектирования автоматизированных систем, предложена методика выбора варианта автоматизированной системы по изменению соотношения
затрат живого и овеществленного труда. Последовательность проектирования автоматизированной системы показана на примере
создания гибкого автоматизированного производства. Изложен порядок представления и оценки результатов проектирования. К пособию приложены ГОСТ, регламентирующий последовательность
создания автоматизированных систем, титульный лист технического задания на проектирование автоматизированной системы, перечень стандартов IEC в области проектирования автоматизированных систем и словарь англоязычных сокращений в области промышленной автоматизации.

Автор

ВВЕДЕНИЕ

Глобализация конкуренции и насыщение товарных рынков
привели к разделению стран на три уровня развития:
• доиндустриальный — предприятия не могут удовлетворить потребности населения в жилье, питании и транспорте;
• индустриальный — предприятия сначала выпускают продукцию, а потом ищут пути ее реализации;
• постиндустриальный — предприятия производят только то,
что нужно, когда нужно и сколько нужно.
Предприятие, включившееся в конкурентную борьбу на рынке,
вынуждено искать эффективные пути увеличения прибыли (рис.
В.1). Такие способы, как замораживание зарплаты, работа на морально устаревшем оборудовании или применение компонентов
низкого качества, неизбежно приводят к банкротству. Приходится
обеспечивать быструю адаптацию к изменениям на рынке, улучшение условий труда рабочих, экономию энергоресурсов, применение
высокопроизводительного оборудования, стабилизацию качества.
Решение этих задач невозможно без автоматизации технологических процессов и объединения разных уровней автоматизации информационными каналами.

9

Р и с. В.1. Способы увеличения прибыли производства

Руководство предприятия начинает осознавать необходимость
обеспечения конкурентоспособности производства путем его автоматизации и ставит проектировщику задачу создания автоматизированной системы производства. С целью поддержания заказчиком
монопольного положения на рынке необходимо ускорять процессы
проектирования и производства, закладывать в продукцию такие
решения, которые не смогут быть быстро воспроизведены конкурентами. Как следствие, возрастает роль специалистов по проектированию автоматизированных систем. Особенностями их работы
являются:
• слежение за быстро обновляющимся рынком программных и
аппаратных средств автоматизации;
• неповторимость спроектированной автоматизированной системы;
• возможность применения одинаковых средств автоматизации
для решения разных задач;
• привязка автоматизированной системы к технологии производства;
• обеспечение высокой надежности управления технологическим оборудованием;
• необходимость согласования работы средств разных поставщиков в одной автоматизированной системе;
• обеспечение возможности развития автоматизированной системы.
Автоматизированное производство представляет собой последовательность единиц технологического оборудования, в каждую из
которых встроено устройство управления, связанное с устройствами управления остальными единицами оборудования (рис. В.2).
Материальный поток заготовок, полуфабрикатов и изделий между
машинами (единицами технологического оборудования) должен
протекать синхронно с потоком информации о типе материальной
единицы и выполненной операции. Кроме основного материального потока, к каждой единице технологического оборудования направляется поток материалов, инструментов и комплектующих.
Проектирование автоматизированной системы представляет собой многоступенчатый процесс, в котором проектировщик должен
выработать концепцию автоматизированного производства, оценить подготовленность производства к автоматизации, реализовать
требования заказчика, представить комплект документации для
реализации системы, обеспечить эксплуатацию автоматизированного производства.

10