Автоматизация технологических процессов и производств

АВТОМАТИЗАЦИЯ 
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ 
ПРОЦЕССОВ
И ПРОИЗВОДСТВ

А.А. Иванов

2-е издание, исправленное и дополненное

Рекомендовано Учебно-методическим советом СПО 
в качестве учебного пособия для студентов учебных заведений, 
реализующих программу среднего профессионального образования 
по  специальностям 15.02.07 «Автоматизация технологических 
процессов и производств (по отраслям)», 15.02.08 «Технология 
машиностроения»  

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Москва                                        2020

ИНФРА-М

УДК 681.5(075.32)
ББК 32.965я723 
 
И20

Иванов А.А.
И20  
Автоматизация технологических процессов и производств : учебное 
пособие / А.А. Иванов. — 2-е изд., испр. и доп. — Москва :  ФОРУМ : 
ИНФРА-М, 2020. — 224 с. — (Среднее профессиональное образование).

ISBN 978-5-00091-535-6 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-013872-5 (ИНФРА-М)

Излагается материал по дисциплине «Автоматизация технологических 
процессов и производств», рассматриваются 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 организационно-технологические основы комплексной автоматизации массового и мелкосерийного производства. Предложена методика 
расчета технико-экономических показателей автоматизированных производств, таких как производительность, надежность и экономическая 
оценка эффективности внедрения новой техники. Представлены математические методы оптимизации основных критериев по результатам имитационного моделирования сложных технических систем.
Предназначен для студентов, обучающихся по специальностям 15.02.07 
«Автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям)», 15.02.08 «Технология машиностроения», а также студентов вузов, 
конструкторов, технологов и ученых, занимающихся проблемой комплексной автоматизации сборки.

УДК 681.5(075.32)
ББК 32.965я723

Р е ц е н з е н т ы:
кандидат технических наук, заместитель главного конструктора 
Научно-исследовательского института измерительных систем имени 
Ю.Е. Седакова С.Л. Торохов

ISBN 978-5-00091-535-6 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-013872-5 (ИНФРА-М)
© Иванов А.А., 2011
© ФОРУМ, 2011

Cписок принятых сокращений

АБД — автоматизированный банк данных

АК — автоматический комплекс

АЛ — автоматическая линия

АПД — аппаратура передачи данных

АС — автоматический склад

АСД — автоматизированная система диагностирования

АСКИ — автоматизированная система контроля и испытаний

АСТППП — автоматизированная система технологической подготовки производства

АСУ — автоматизированная система управления

АСУП — автоматизированная система управления предприятием

АСУ ТП — автоматизированная система управления технологическим процессом

АУМО — автоматизированный участок механообработки

АУОО — автоматизированный участок общей обработки

АЦП — аналогоцифровой преобразователь

БД — база данных

БК — базовый комплект

ГАП — гибкое автоматизированное производство

ГАУ — гибкий автоматизированный участок

ГМОП — гибкое механообрабатывающее производство

ГСП — гибкое сборочное производство

ГПМ — гибкий производственный модуль

ГПК — гибкий производственный комплекс

ГПС — гибкая производственная система

ДОС — датчик обратной связи

ДП — динамическое программирование

ЗР — загрузочный робот

ИМГ — интерактивная машинная графика

ИПО — информационнопрограммное обеспечение

ИПС — интегрированная производственная система

КАП — комплексноавтоматизированное производство

КВ — корректирующее воздействие

КД — корпусные детали

КИМ — координатноизмерительная машина

КоД — комплексная деталь

ЛВС — локальная вычислительная сеть

ЛП — линейное программирование

МВГ — метод ветвей и границ

МГП — модуль гальванопокрытий

МЛКП — модуль лакокрасочных покрытий

МН — межоперационный накопитель

МОС — многооперационный станок

МПЛ — мультиплексор

МСИ — метод статистических испытаний

МСО — модуль специальной обработки

МТО — модуль термической обработки

МТхО — материальнотехническое обеспечение

ОМЗ — обеспечение материалами и заготовками

ОН — операционный накопитель

ОПИ — обеспечение приспособлениями и инструментом

ОС — операционная система

ОЦ — обрабатывающий центр

ПЗ — производственное задание

ППУ — приемнопередающее устройство

ПР — промышленный робот

РКЛ — роторноконвейерная линия

РЛ — роторная линия

САКД — система автоматизированного контроля и

диагностирования

САПР — система автоматизированного проектирования

СИО — система инструментального обеспечения

СМ — симплексметод

4
Cписок принятых сокращений

СМО — система массового обслуживания

СОЖ — смазочноохлаждающая жидкость

СПУ — сетевое планирование и управление

СУ — система управления

СУБД — система управления базой данных

ТВ — тела вращения

ТД — техническая документация

ТЗР — транспортнозагрузочный робот

ТМ — технологическая машина

ТНС — транспортнонакопительная система

ТО — технологическое оборудование

ТП — технологический процесс

ТР — транспортный робот

ТРЦ — технологическая размерная цепь

ТТС — транспортнотехнологическая система

УВК — управляющий вычислительный комплекс

УЗВ — устройство загрузкивыгрузки

ЦФ — целевая функция

ЧПУ — числовое программное управление

Шт — Штабелер

ЭМТО — энергоматериальнотехническое обеспечение

Cписок принятых сокращений
5

Введение

Задача дальнейшего наращивания объемов производства без привлечения дополнительной рабочей силы может быть успешно решена
прежде всего за счет комплексной автоматизации основных и вспомогательных операций производственного цикла. Понятие автоматизации возникло в начале двадцатого столетия и первоначально включало лишь процессы автоматизации материальных потоков на предприятиях крупносерийного и массового производства. 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 имели необходимой гибкости
по быстрой переналадке 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, 6].
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, ро

ботизации 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
[11, 27].
В данном 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.

Введение
7

Глава 1
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ПРИНЦИПЫ
КОМПЛЕКСНОЙ АВТОМАТИЗАЦИИ
ПРОИЗВОДСТВА

1.1. 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. 1.1).
Стратегическому уровню соответствует перспективный план
предприятия, создаваемый в результате прогнозирования производства на основе изучения сбыта, спроса и экономической ситуации в
целом. Кроме перспективного плана, на этом уровне разрабатываются годовой и квартальный планы, а также комплекс мероприятий по
управлению производством [6, 8, 12].
Тактическому уровню соответствует оперативное планирование
производства с детализацией до месячного и суточного планов. Планирование производственной деятельности включает программу выпуска изделий, планы обеспечения заготовками и покупными изделиями, планы и графики обработки и сборки деталей, узлов и изделий, план технического обслуживания производственных процессов
(технология, оборудование, оснастка и инструмент). На тактическом

уровне осуществляется и информационнопрограммное обеспечение
управления производством.
Исполнительный (или командный) уровень обеспечивает сквозное
управление технологическим оборудованием в реальном масштабе
времени от ввоза исходных материалов (ИМ) до отгрузки готовой
продукции потребителям. Управление охватывает приемку, контроль
и складирование заготовок и комплектующих, механическую обработку, сборку, выходной контроль, упаковку и распределение готовой
продукции по заказчикам. К исполнительному уровню относятся также вопросы, связанные с эксплуатацией инженерных сетей и охраной
окружающей среды.
В основу ИПС, кроме интеграции и иерархичности структуры,
положены принципы автономности, модульности, инвариантности.
ИПС как комплексная производственная система функционирует в
тесном взаимодействии с рядом подсистем (рис. 1.2), основными из
которых являются САПР, АСТПП, АСУП и АСУ ТП, автоматизированная система диагностирования АСД технических средств, автоматизированная система контроля и испытаний АСКИ, материальнотехническое обеспечение МТхО. Координированная работа всех
подсистем как единого организма осуществляется центральной ЭВМ
с помощью общего автоматизированного банка данных АБД. Соглас1.1. Понятие интегрированной производственной системы
9

Рис. 1.1. Иерархия уровней автоматизации, планирования и управления производством
в сквозной интегрированной системе

но производственному заданию ПЗ подсистемы САПР и АСТПП работают в тесной взаимосвязи, образуя фактически единую систему
проектирования изделий и технологической подготовки производства, которая использует геометрические параметры деталей для анализа вариантов конструкций и синтеза комплексной модели, данные о
типовых технологических процессах и нормативносправочную информацию. От этих подсистем необходимые данные вводятся в подсистемы АСУП и АСУ ТП, которые вырабатывают непосредственно
управляющую информацию для выполнения технологических процессов изготовления изделий. Помимо автоматического оперативного управления, подсистемы АСУП и АСУ ТП предоставляют гибкой
производственной системе ГПС информацию по производственным
программам и календарным планам, данные по учету, контролю и регулированию процессов обеспечения материалами, инструментом и
оснасткой. Важнейшей подсистемой ИПС на исполнительном уровне
является АСД, имеющая распределенную сеть датчиков для анализа
состояния и нормального функционирования ГПС на всех уровнях
производства и управления. Подсистемы АСД и АСКИ должны иметь
соответствующее метрологическое обеспечение, включающее необходимые средства измерения и контроля.
Любая ИПС решает следующие задачи: организационные (организация производства, обеспечение трудовыми ресурсами, охрана окружающей среды); экономические (расчет техникоэкономических
показателей, материальнотехнического снабжения, сбыта, учета,
финансового управления); оперативного управления производством;
технологические (управление процессами переработки сырья). Для

10
Глава 1. Основные понятия и принципы комплексной автоматизации...

Рис. 1.2. Схема взаимодействия основных подсистем ИПС