Модернизация промышленных предприятий на базе современных систем автоматизации и управления

МОДЕРНИЗАЦИЯ 
ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ 
НА БАЗЕ СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМ 
АВТОМАТИЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ

А.А. Иванов

Допущено Учебно-методическим объединением вузов
по образованию в области автоматизированного
машиностроения (УМО AM) в качестве учебного пособия
для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям 
подготовки 15.03.05 «Конструкторско-технологическое обеспечение
машиностроительных производств» и 15.03.04 «Автоматизация 
технологических процессов и производств» (машиностроение)

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Москва                                        2020

ИНФРА-М

УДК  681.5.01(075.8)
ББК  32.965я73
 
И20

Иванов А.А.
И20  
Модернизация промышленных предприятий на базе современных 
систем автоматизации и управления : учебное пособие / А.А. Иванов. — 
Москва : ФОРУМ : ИНФРА-М, 2020. — 384 с. — (Высшее образование: 
Бакалавриат).

ISBN 978-5-00091-738-1 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-016366-6 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-108665-0 (ИНФРА-М, online)

В учебном пособии рассмотрены современные системы автоматизации 
и управления как ключевые факторы модернизации промышленных предприятий. Даны основные понятия и принципы комплексно-автоматизированного производства и структура интегрированной производственной 
системы. Приведены технико-экономические характеристики и методы 
оптимизации параметров автоматизированных производств. Показаны 
схемы автоматизации и управления материальными и информационными 
потоками на промышленном предприятии. Приведены примеры систем 
управления на базе программируемых контроллеров и многоуровневых 
систем управления крупными производствами.
Адресовано студентам высших учебных заведений, обучающимся по 
направлениям подготовки «Автоматизация технологических процессов 
и производств» и «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств», включая учебные программы бакалавров, 
магистров и дипломированных специалистов. Будет также полезно преподавателям специальных дисциплин в области автоматизированного машиностроения и специалистам по разработке средств автоматизации.

УДК  681.5.01(075.8)
ББК  32.965я73

Р е ц е н з е н т:
В.А. Козлов — доктор технических наук, начальник отдела Научноисследовательского института измерительных систем имени Ю.Е. Седакова

ISBN 978-5-00091-738-1 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-016366-6 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-108665-0 (ИНФРА-М, online)
© Иванов А.А., 2014
© ФОРУМ, 2014

Введение

Вступление России в новую технологическую эру ХХI в. тесно
связано с реализацией приоритетной программы широкомасштабной
комплексной автоматизации практически всех отраслей народного
хозяйства с целью резкого повышения производительности труда, сокращения численности обслуживающего персонала и создания условий для творческого труда. Нам предстоит в исторически короткий
срок сделать решающий шаг в осуществлении программной задачи
достижения по этому показателю высшего мирового уровня.
Задача дальнейшего наращивания объемов производства без привлечения дополнительной рабочей силы может быть успешно решена
не только за счет строительства новых современных предприятий, но
и за счет модернизации существующих на базе эффективных систем
автоматизации и управления, которые охватывают основные и вспомогательные операции производственного цикла.
Понятие автоматизации возникло в начале двадцатого столетия и
первоначально включало лишь процессы автоматизации материальных потоков на предприятиях крупносерийного и массового произ
водства. В силу отсутствия систем автоматизации информационных
потоков основу автоматизации в то время составляли различные механические средства управления, которые задавали механизмам технологических машин требуемую последовательность действий и не
позволяли осуществлять быструю переналадку оборудования.
Только в середине ХХ в. с появлением в производстве ЭВМ, станков с ЧПУ и промышленных роботов, с повышением их функциональных способностей и обогащением программных средств появилась возможность комплексной обработки информации и управления
ходом производства в масштабе предприятия с определенной гибкостью [1, 3]. В машинои приборостроении наблюдается тенденция
смещения центра тяжести от производства со стабильной узкой номенклатурой изделий к многономенклатурным производствам с быстрой сменяемостью программы, в результате чего среднее время

жизни изделий уменьшается с 7—8 до 2—3 лет и менее. Согласно мировым прогнозам, эта тенденция сохранится и в обозримом будущем.
Многономенклатурное производство будет доминировать, составляя
до 80 % общего объема промышленного производства. Указанная
тенденция, а также постепенный отток кадров из промышленного
производства в сферу обслуживания явились важнейшими причинами, обусловившими качественно новый подход к решению вопросов
комплексной автоматизации — созданию гибких производственных
систем, обладающих возможностью быстрой переналадки технических средств на выпуск другого изделия.
Современные достижения в области технологии, роботизации и
средств вычислительной техники обеспечивают реальные предпосылки создания автоматизированных производств на базе малолюдной
(а впоследствии безлюдной) технологии. Системный подход к вопросу создания переналаживаемых автоматизированных производств
требует одновременного и взаимоувязанного решения ряда научнотехнических, технологических и организационных задач [6, 9, 23].
В учебном пособии представлено описание системного окружения гибких производств, аппаратного и программного обеспечения
многоуровневых систем управления интегрированными производственными комплексами и показано взаимодействие подсистем информационной структуры гибких производств с типовыми элементами
общего программного обеспечения. Определены функциональные
связи между производительностью и основными параметрами систем, позволяющие проектировать средства автоматизации с максимальной производительностью и повышенными качественными характеристиками изделий. Рассматриваются понятия и принципы
функционирования систем автоматизированного машиностроения,
концепции комплексно автоматизированного производства и структура интегрированной производственной системы, включающей
стратегический, тактический и исполнительный уровни планирования и управления. Приводятся подробные схемы материальных и информационных потоков интегрированных систем, а также диаграммы
и зоны эффективной автоматизации. Сформулированы организационнотехнологические основы комплексной автоматизации массового и мелкосерийного производства. Представлены специализированные и универсальные средства автоматизации входа и выхода технологического оборудования, комплексов и линий, построенные на
принципах контактного и бесконтактного взаимодействия, а также

4
Введение

системы инструментального обеспечения и транспортнонакопительные системы. Показаны приоритетные направления развития систем
комплексной автоматизации и управления с учетом новейших отечественных и зарубежных достижений, к которым, в частности, можно
отнести:
1) разработку систем манипулирования объектами обработки и
сборки с развитым сенсорным аппаратом, обеспечивающим работу
по принципу «ситуация—действие» с целью выбора оптимального алгоритма действия в зависимости от реального состояния технологического процесса;
2) создание нового поколения средств адаптации в целях наделения технологических комплексов способностью к самообучению и
распознаванию образов, являющейся одним из важнейших элементов
искусственного интеллекта;
3) переход в системах управления автоматическими комплексами
на быстродействующие ЭВМ с интеллектуальным интерфейсом, позволяющим пользователю работать с управляющей ЭВМ средствами
естественного языка.
С развитием искусственного интеллекта автоматические производственные системы приобретают способность к моделированию
внешней среды, анализу технологической обстановки, принятию решений и планированию собственных действий.

Введение
5

Глава 1
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ПРИНЦИПЫ
КОМПЛЕКСНОЙ АВТОМАТИЗАЦИИ
ПРОИЗВОДСТВА

1.1. Схемы материальных и информационных потоков
промышленного предприятия

Опираясь на укрупненную структуру автоматизированного производства (АП), рассмотрим общую схему материальных и информационных потоков промышленного предприятия (рис. 1.1). На входе
системы располагается пост приемки материалов, заготовок и комплектующих (ПМЗК), поступающих с предприятийкооператоров и с
заготовительного производства. Информация о приеме и размещении
грузов (ПРГ) поступает на ЭВМ производственного контроля (ПК),
которая управляет порядком перемещения грузов (ППГ). Одновременно информация о потребности в материалах (ПМ) поступает в
центральную контрольную систему (ЦКС), которая связана с автоматическими складами материалов, заготовок (АСМЗ) и готовых деталей (АСГД).
Обработку данных, анализ и планирование производства осуществляет центральная ЭВМ, в которую вводится соответствующее производственное задание (ПЗ). Материальные потоки заготовок, деталей и изделий замыкаются, в основном, между автоматическими
складами, автоматическим обрабатывающим комплексом (АОК), автоматическим сборочным комплексом (АСК) и постом финишного
контроля (ФК). Информация об окончании обработки (КО) поступает в ЦКС, а управляющая информация о плане обработки (ПОб) и результате обработки (РО) от ЭВМ ПК — в обрабатывающий комплекс.

В ЭВМ ПК поступают результаты контроля (РК) с поста ФК. На центральную ЭВМ, минии микроЭВМ возложены также функции прогнозирования и обнаружения критических ситуаций и управления ходом производственного процесса. Гибкая производственная система
(ГПС) как комплексная производственная система функционирует в
тесном взаимодействии со всеми основными подсистемами.
Более детально схемы материальных и информационных потоков
представлены на рис. 1.2. На схеме материальных потоков (рис. 1.2, а)
хорошо виден сквозной характер производства на исполнительном
уровне (связи по горизонтали). Исходные материалы (ИМ) (прутки,
полосы, рулоны, листы и др.) хранятся на складе АС ИМ, откуда они
по запросам подаются на производство заготовок, где осуществляются разделение длинномерных материалов на штучные заготовки, холодная и горячая штамповка и литье. Штучные заготовки (Шт.З) попадают на склад АС Шт.З и далее на участки механической обработки
резанием, давлением и др. Эти участки относятся к основному производству и содержат разнообразные металлорежущие станки: токарной
и фрезерной групп, зубообрабатывющие и резьбонарезные станки,
сверлильные, профильношлифовальные и станки для доводочных
операций (хонингование, выглаживание, полировка и т. п.). Отдельный участок выделен для покрытия деталей. Готовые детали (Д) и

1.1. Схемы материальных и информационных потоков...
7

Рис. 1.1. Общая схема материальных (сплошные линии)
и информационных (штриховые линии) потоков промышленного предприятия

Глава 1. Основные понятия и принципы комплексной автоматизации...

Рис. 1.2. Развернутые схемы материальных (а) и информационных (б) потоков в АП:
ИМ — исходные материалы; Шт.З — штучные заготовки; Д и К — детали и комплектующие; ГП — готовая продукция;
СИО — система инструментального обеспечения; ТП — технологические процессы; ТО — технологическое оборудование

комплектующие (К) хранятся на складе АС Д и К, из которого они
подаются на участок сборки узлов и изделий. Собранные изделия
проходят пост испытаний и контроля ОТК и транспортируются на
склад готовой продукции (АС ГП). Последним пунктом является участок комплектования заказов и отгрузки готовой продукции (ГП) потребителям. Специальная транспортнонакопительная система обеспечивает производственные участки комплектами технологической
оснастки и инструмента, а также осуществляет удаление с участков
брака, стружки и других отходов. Таким образом, технические средства, обеспечивающие автоматизацию материальных потоков, представляют собой сложные механические системы, включающие обрабатывающие центры, сборочные комплексы и линии, операционные
и транспортные роботы, автоматические складынакопители, устройства инструментального обеспечения и разнообразные наборы технологической оснастки [1, 13, 14].
Схема информационных потоков (рис. 1.2, б) включает все основные подсистемы автоматизированного производства. Исходные дан
ные (ИД) вводятся в объединенную САПР конструктора и технолога
(САПРК и САПРТ), которые располагают соответствующими базами данных. САПРК решает задачи автоматизированного проектирования объектов производства, а САПРТ — задачи автоматизированной системы технологической подготовки производства (АСТПП) и
создания библиотеки типовых технологических процессов. Управляющая и управляемая части связаны между собой автоматизированной системой управления (АСУ) и системой автоматизированного
контроля и диагностирования (САКД).
Система управления производством АСУП решает вопросы стратегии развития предприятия, финансовые и кадровые вопросы, а также вопросы оперативнокалендарного планирования. Система управления технологическими процессами АСУ ТП выполняет важнейшую
задачу управления качеством выпускаемой продукции путем оптимального управления параметрами технологического процесса и оборудования. Необходимую информацию для реализации этой задачи
поставляет САКД. По результатам альтернативного контроля и испытаний готовая продукция сортируется на группы: годные и брак (технологические потери).
Схема информационных потоков показывает, что современное
машиностроительное предприятие является сложной экономической
системой, содержащей большое число взаимосвязанных элементов с

1.1. Схемы материальных и информационных потоков...
9

организованными связями между ними для координации действий и
управления системой. Информация о ходе выполнения управляющих
команд и реальном состоянии объекта управления по каналам обратной связи поступает на вход управляющей системы, где сравнивается
с информацией о требуемом состоянии объекта, в результате чего вырабатывается управляющее воздействие.
Таким образом, управление предприятием представляет собой
процесс непрерывного обмена информацией между всеми структурными подразделениями. Потоки производственной информации, передаваемые в определенные промежутки времени по каналам связи,
отражают материальные процессы, протекающие в системе на уровне предприятия (или производства). Структура информации включает различные комбинации информационных совокупностей, измеряемых номенклатурами, которые состоят из позиций, предварительно сгруппированных по какомулибо признаку качественной
однородности. При автоматической обработке информации позициям присваивается условное сокращенное обозначение: код или индекс (идентификатор). Информационные совокупности подразделяются на реквизиты, показатели, документы и массивы [16, 26]. По
периодичности поступающую информацию подразделяют на оперативную (квартальную) и перспективную (годовую), а по времени
хранения и пользования — на постоянную (например, нормативносправочная) и переменную, отражающую непрерывные текущие
изменения в производстве.

1.2. Понятие интегрированной
производственной системы

Системный подход к решению задачи комплексной автоматизации производства реализуется путем создания интегрированных производственных систем (ИПС). ИПС решает все вопросы по производству любых изделий: от автоматизированного проектирования и
технологии их изготовления до автоматического управления технологическим оборудованием и выпуска готовой продукции (ГП). ИПС
включает три уровня автоматизации, планирования и управления
производством (рис. 1.3).
Стратегическому уровню соответствует перспективный план
предприятия, создаваемый в результате прогнозирования производ10
Глава 1. Основные понятия и принципы комплексной автоматизации...