Основы автоматизации технологических процессов и производств. Том 1. Информационные модели

ОСНОВЫ 
АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ 
ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ 

В двух томах 

 

Под общей редакцией Г.Б. Евгенева 
 
Том 1 
Информационные модели 

Допущено Учебно-методическим объединением вузов  
по образованию в области автоматизированного машиностроения 
в качестве учебного пособия для студентов 
высших учебных заведений, обучающихся по направлению 
«Автоматизация технологических процессов и производств» 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

УДК 681.5 
ББК 32.965 
        О-75 

Авторы: 

 

Г.Б. Евгенев, С.С. Гаврюшин, А.В. Грошев,  

М.В. Овсянников, П.С. Шильников 

 

Рецензенты: 

 

кафедра «Микропроцессорные средства автоматизации» 

Пермского национального исследовательского политехнического 

университета (заведующий кафедрой канд. техн. наук,  

доцент А.Б. Петроченков); 

д-р техн. наук, профессор ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» 

Ю.В. Подураев 

 

Основы автоматизации технологических процессов и производств : 

учебное пособие : в 2 т. / [Г. Б. Евгенев и др.] ; под ред. Г. Б. Евгенева. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015. 

ISBN 978-5-7038-4137-2 
Т. 1 : Информационные модели. — 2015. — 441, [7] с. : ил. 
ISBN 978-5-7038-4138-9 

Изложены теоретические основы и практические методы автоматизации 

технологических процессов и производств в соответствии с профессиональной деятельностью магистров по направлению «Автоматизация технологических процессов и производств». 

Приведены материалы, относящиеся к метаонтологии и предметной онто
логии. 

Описаны языки представления информационных моделей, включая осно
вы системологии, язык построения реляционных баз данных  IDEF1X, язык 
функционального моделирования систем IDEF0, унифицированный язык моделирования UML и онтологии инженерных знаний. Представлена функциональная модель жизненного цикла изделий. 

Содержание учебного пособия соответствует курсу лекций, читаемых ав
торами в МГТУ им. Н.Э. Баумана. Представленные материалы могут быть использованы при подготовке бакалавров по направлению «Автоматизация технологических процессов и производств». 

 

УДК 681.5 
ББК 32.965 

 
 
 
 
 

 

ISBN 978-5-7038-4138-9 (т. 1)                                             

 
Оформление
. 
Издательство
 

ISBN 978-5-7038-4137-2                                                      МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015 

О-75 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие ..................................................................................................................  
5 
Список сокращений ......................................................................................................  
7 
Введение ........................................................................................................................  
10 
1. ЯЗЫКИ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ МОДЕЛЕЙ .............  
13 
1.1. Основы  системологии ......................................................................................  
13 
1.2. Язык построения реляционных баз данных IDEF1X......................................  
17 
1.3. Язык функционального моделирования систем IDEF0 ..................................  
40 
1.4. Функциональная модель жизненного цикла изделия .....................................  
48 
1.5. Язык моделирования процессов IDEF3 ...........................................................  
59 
1.6. Унифицированный язык моделирования UML ...............................................  
61 
1.7. Онтология инженерных знаний ........................................................................  
78 
Вопросы для самопроверки .....................................................................................  
86 
2. МОДЕЛИ КОНСТРУКТОРСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ...........................  
88 
2.1. Общая модель изделия машиностроения ........................................................  
88 
2.2. Виды изделий .....................................................................................................  
91 
2.3. Виды конструкторских документов и стадии проектирования .....................  
94 
2.4. Геометрические и топологические модели изделий .......................................  108 
2.5. Стандарт представления геометрических моделей изделий IGES ................  119 
2.6. Стандарт обмена данными модели изделия STEP ..........................................  123 
2.7. Представление моделей изделий в системах CAE ..........................................  146 
2.8. Классификация объектов инженерных знаний в машиностроении ..............  152 
2.9. Системы управления проектными данными ...................................................  177 
2.10. Системы управления жизненным циклом изделия .......................................  179 
Вопросы для самопроверки .....................................................................................  184 
3. МОДЕЛИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ..........................  185 
3.1. Структура системы технологической подготовки производства  .................  185 
3.2. Модели системы проектирования технологического процесса класса  
«черный ящик» ..................................................................................................  189 
3.3. Структура классов объектов технологического процесса .............................  194 
3.4. Средства технологического оснащения ...........................................................  203 
3.5. Технологические показатели ............................................................................  241 
3.6. Модели программирования обработки на станках с числовым программ- 
ным управлением ..............................................................................................  246 
3.7. Онтология программирования обработки на станках с числовым программ- 
ным управлением ...............................................................................................  261 
3.8. Технология прямого лазерного сплавления ....................................................  270 

                                                              Оглавление 
 

4 

3.9. Элементы нанотехнологии................................................................................  276 
Вопросы для самопроверки .....................................................................................  286 
4. МОДЕЛИ ЛОГИСТИКИ КОМПЬЮТЕРНО-ИНТЕГРИРОВАННОГО 
ПРОИЗВОДСТВА ...................................................................................................  288 
4.1. Основные понятия логистики ...........................................................................  288 
4.2. Закупочная логистика ........................................................................................  295 
4.3. Логистика производственных процессов ........................................................  300 
4.4. Сбытовая логистика ...........................................................................................  309 
4.5. Информационная логистика .............................................................................  312 
Вопросы для самопроверки .....................................................................................  315 
5. МОДЕЛИ УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВОМ...............................................  316 
5.1. Стандарт MRPII .................................................................................................  316 
5.2. Предметная онтология стандарта MRPII .........................................................  327 
5.3. Функциональная модель системы MES ...........................................................  344 
5.4. Конструкторско-технологические спецификации ..........................................  346 
5.5. Планирование материальных потребностей ...................................................  348 
5.6. Управление складами ........................................................................................  353 
5.7. Планирование производственных мощностей ................................................  356 
5.8. Планирование производственных операций ...................................................  359 
5.9. Оптимальное планирование работ на уровне цехов и участков ....................  363 
5.10. Контроль производственных операций .........................................................  374 
5.11. Управление финансами ...................................................................................  378 
5.12. Схема управления производством .................................................................  380 
Вопросы для самопроверки .....................................................................................  382 
6. МОДЕЛИ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЕКТАМИ .........................................................  384 
6.1. Основные понятия управления проектами ......................................................  384 
6.2. Жизненный цикл проекта .................................................................................  394 
6.3. Структурные модели проекта ...........................................................................  410 
6.4. Участники проекта ............................................................................................  416 
6.5. Процессы управления проектами .....................................................................  430 
Вопросы для самопроверки .....................................................................................  436 
Литература .....................................................................................................................  437 
Предметный указатель ..................................................................................................  438

                                                              Предисловие 
 

5 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Модернизация экономики России, повышение ее эффективности позволят создать надежный фундамент для роста жизненного уровня населения и 
обеспечения безопасности страны в нестабильном мире. Поэтому повышение 
производительности труда — одна из стратегических целей российской экономики. Важнейшим средством достижения этой цели является автоматизация технологических процессов и производств. 
Автоматизация технологических процессов — это совокупность методов 
и средств, обеспечивающих управление технологическим процессом либо без 
непосредственного участия человека, либо при принятии им наиболее ответственных решений. 
В рамках одного производственного процесса автоматизация технологических процессов всех его стадий дает возможность создать основу для внедрения систем управления производством и систем управления предприятием. В связи с разными подходами различают автоматизацию непрерывных  
и дискретных технологических процессов. Настоящее учебное пособие посвящено автоматизации дискретных технологических процессов. 
Одним из наиболее значительных достижений ХХ в. является изобретение 
числового программного управления технологическим оборудованием. Впервые 
появилась возможность превращать информационные модели изделий, созданные с помощью систем автоматизированного конструирования посредством соединенных с ними систем автоматизированного программирования обработки и 
станков с ЧПУ, в материальные объекты. Информационные технологии стали 
важным компонентом автоматизации материальных технологий. 
Основной принцип изготовления деталей в машиностроении на станках с 
ЧПУ заключается в постепенном удалении лишнего материала с заготовки до 
приобретения ею заданных формы и размеров. Такая технология получила 
название технологии удаления или вычитания (Subtraction Technology). 

Использование 3D-принтеров для производства изделий позволяет осуществлять выращивание физического объекта по 3D-модели аналогично тому, как 
это происходит в природе при зарождении и развитии нового организма. Такая 
технология называется технологией добавления или сложения (Addition Technology). Применение этой технологии, разработанной в XXI в., невозможно без 
передовых информационных технологий. 

                                                              Предисловие 
 

6 

Предлагаемое учебное пособие сформировано в соответствии с двухуровневой подготовкой кадров по направлению «Автоматизация технологических 
процессов и производств». Требования к квалификации «магистр» по этому 
направлению определяет Федеральный государственный стандарт высшего 
профессионального образования, утвержденный и введенный в действие приказом Министерства образования и науки РФ № 763 от 21 декабря 2009 г. Вместе с тем материалы тома 1 могут быть использованы для подготовки бакалавров по этому направлению. 

Учебное пособие самодостаточно и не требует каких-либо дополнительных знаний в области информатики. Изложенный материал соответствует 
курсу лекций, читаемых авторами в 1998–2015 гг. в МГТУ им. Н.Э. Баумана 
на кафедре «Компьютерные системы автоматизации производства». Учебное 
пособие подготовлено коллективом авторов под общей редакцией доктора 
технических наук, профессора Г.Б. Евгенева. Материал глав и разделов учебного пособия был разделен между авторами следующим образом: гл. 1,  
разд. 2.1–2.3, 2.5, 2.8, гл. 3–6 — Г.Б. Евгенев, гл. 2, разд. 2.4 — А.В. Грошев, 
разд. 2.6 — П.С. Шильников, разд. 2.7 — С.С. Гаврюшин, разд. 2.9 —  
М.В. Овсянников. 

Авторы выражают благодарность разработчикам метаинструментальной 
среды СПРУТ и прикладных систем SprutCAM, СПРУТ-ТП и СПРУТ-ОКП, 
материалы которых были использованы при написании учебного пособия. 
Особо следует отметить А.Х. Хараджиева, В.Х. Хараджиева, А.Н. Пономарева, А.В. Реутова, В.Н. Глушкова, Н.В. Сергеева (ЗАО «СПРУТ-Технология») 
и Б.В. Кузьмина, Г.В. Серегина, А.А. Кокорева, А.Г. Стисеса, С.С. Крюкова  
и Н.С. Гришина (ООО «Центр СПРУТ-Т»). 
Авторы с благодарностью примут все замечания и пожелания читателей. 

                                                         Список сокращений 
 

7 

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 

АЗ  
 автоматический завод 
АС 
 автоматизированная система 
АСУ  
 автоматизированная система управления 
АСУП 
 автоматизированная система управления предприятием 
АСТПП 
 автоматизированная система технологической подготовки 
производства 
АСУПр 
 автоматизированная система управления производством 
АТСС 
 автоматизированная транспортно-складская система 
БД 
 база данных 
БЗ 
 база знаний 
ГА 
 генетический алгоритм 
ГАЛ 
 гибкая автоматизированная линия 
ГАП 
 гибкое автоматизированное производство 
ГАУ 
 гибкий автоматизированный участок 
ГАЦ 
 гибкий автоматизированный цех 
ГПГП 
 главный план-график производства 
ГПМ 
 гибкий производственный модуль 
ГПС 
 гибкая производственная система 
ГПЯ 
 гибкая производственная ячейка 
ЕСКД 
 единая система конструкторской документации 
ЕСТД 
 единая система технологической документации 
ИАД 
 интеллектуальный анализ данных 
ИАСУ 
 интегрированная автоматизированная система управления 
ИИ 
 искусственный интеллект 
ИМ 
 имитационное моделирование, имитационная модель 
ИНС 
 искусственные нейронные сети 
ЖЦИ 
 жизненный цикл изделия 
КИД 
 компьютеризация инженерной деятельности 
ЛВС 
 локальная вычислительная сеть 
ЛИС 
 логистическая информационная система 
МАС 
 многоагентная система 

                                                       Список сокращений 
 

8 

МАСАПР  многоагентная система автоматизированного проектирования 
МЗ 
 модуль знаний 
МИЗ 
 модуль инженерных знаний 
МиК 
 материалы и комплектующие 
МКЭ 
 метод конечных элементов 
НИОКР 
 научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы 
ОК 
 оператор кроссинговера 
ОКП 
 оперативно-календарное планирование 
ОМ 
 оператор мутации 
ООА 
 объектно-ориентированный анализ 
ООП 
 объектно-ориентированный подход 
ООПИ 
 объектно-ориентированное проектирование изделий 
ООПр 
 объектно-ориентированное программирование 
ОПП 
 оперативно-производственное планирование 
ПДО 
 планово-диспетчерский отдел 
ПР 
 промышленный робот 
РТК 
 роботизированный технологический комплекс 
САП 
 система автоматизации программирования 
САПР 
 система автоматизированного проектирования 
СДС 
 сложные дискретные системы 
СКИД 
 система компьютеризации инженерной деятельности 
СПУ 
 сетевое планирование управления 
ССО 
 структурная схема организации 
СТО 
 средства технологического оснащения 
СУБД 
 система управления базами данных 
СЧПУ 
 система числового программного управления 
ТП 
 технологический процесс 
ТПП 
 технологическая подготовка производства 
ТЗ 
 техническое задание 
УП 
 управляющая программа 
УПр 
 управление проектами 
УСП 
 универсально-сборочное приспособление 
УЧПУ 
 устройство ЧПУ 
ЧПУ 
 числовое программное управление 
ЭВМ 
 электронная вычислительная машина 
ABS 
 Account Breakdown Structure 
B-Rep 
 Boundary Representation 
CAD 
 Computer Aided Design 
CAE 
 Computer Aided Engineering 
CALS 
 Computer Aided Life-cycle System 
CAM 
 Computer Aided Manufacturing 

                                                         Список сокращений 
 

9 

CAPP 
 Computer Aided Process Planning 
CASE 
 Computer Aided Software Engineering 
CIM 
 Computer Integrated Manufacturing 
CLDATA 
 Cutter Location DATA 
CRM 
 Customer Relationship Management 
ER 
 Entity-Relationship 
ERP 
 Enterprise Resource Planning system 
FEA 
 Finite-е1еmеnt Analysis 
ICAM 
 Integrated Computer-Aided Manufacturing 
IGES 
 Initial Graphics Exchange Specification 
IDEF 
 Integrated DEFinition 
IDEF0 
 Function Modeling 
IDEF1X 
 IDEF1 Extended Data Modeling 
IDEF3 
 Integrated DEFinition for Process Description Capture Method 
ISO 
 International Standard Organization 
FK 
 Floated Key 
HTML 
 Hypertext Markup Language 
MES 
 Manufacturing Enterprise Solutions 
NURBS 
 Non-uniform rational b-spline 
OBS 
 Organization Breakdown Structure 
OLAP 
 Online analytical processing 
OSTN 
 Object State Transition Network 
PDES 
 Product Data Exchange Specification 
PDM 
 Product Data Management 
PFDD 
 Process Flow Description Diagrams 
RAD 
 Rapid Application Development 
RBS 
 Resource Breakdown Structure 
SADT 
 Structured Analysis and Design Technique 
SGL 
 Structured Generalized Language 
SRM 
 Supplier Relationship Management 
STEP 
 Standard for Exchange of Product model data 
STL 
 Standard Template Library 
SWOT 
 Strengths, Weaknesses, Opportunities and Threats 
UML 
 Unified Modeling Language 
UOB 
 Unit of Behavior 
WBS 
 Work Breakdown Structure 
XML 
 Extensible Markup Language 
 
 
 

                                                                 Введение 
 

10 

ВВЕДЕНИЕ 

Совокупность требований, обязательных при реализации основных образовательных программ по направлению подготовки «Автоматизация технологических процессов и производств» квалификации «магистр» определяет Федеральный государственный стандарт (ГОС) высшего профессионального 
образования, утвержденный приказом Министерства образования и науки РФ 
№ 763 от 21 декабря 2009 г., в соответствии с которым установлены следующие виды профессиональной деятельности магистра: проектно-конструк- 
торская, производственно-технологическая, организационно-управленческая, 
научно-исследовательская, научно-педагогическая, сервисно-эксплуатацион- 
ная и специальные. 
В соответствии с положениями ГОСа определена структура учебного пособия, состоящего из двух томов. Первый том посвящен информационным моделям, второй — методам проектирования и управления. Такой подход связан 
с использованием при изложении материала теории построения онтологических систем. Модель онтологической системы включает в себя метаонтологию, 
предметную онтологию и онтологию задач. Метаонтология оперирует общими 
концептами и отношениями, не зависящими от конкретной предметной области, и содержит материалы, необходимые как для предметной онтологии, так и 
для онтологии задач. В учебном пособии метаонтология изложена в т. 1, гл. 1. 
Предметная онтология связана с построением информационных моделей 
и содержит понятия, описывающие конкретную предметную область и отношения между ними. Ей посвящены остальные главы т. 1. 
Онтология задач содержит описание методов, с помощью которых осуществляется преобразование входных данных в выходные. Изложению этих 
методов посвящен т. 2 учебного пособия. 
В целом в профессиональной деятельности магистра должны использоваться прикладные системы PLM. Это организационно-технические системы, 
поддерживающие технологию управления жизненным циклом изделий. Они 
обеспечивают управление всей информацией об изделии и связанных с ним 
процессах на протяжении его жизненного цикла, начиная с проектирования и 
производства до снятия с эксплуатации. 
Материалы, связанные с проектно-конструкторской деятельностью магистра, изложены в т. 1, гл. 2 (модели), а также в т. 2, гл. 8. Этот вид деятель-