Основы автоматизации производства

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 
ИНСТИТУТ ЭКОТЕХНОЛОГИЙ И ИНЖИНИРИНГА 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

Кафедра литейных технологий 
и художественной обработки материалов 

Ю.А. Павлов 

Основы автоматизации 
производства 

Учебное пособие 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва 2017 

№ 3018 

УДК 739 
 
П12 

Р е ц е н з е н т ы :  
д-р техн. наук, проф. С.Н. Гончаренко; 
д-р техн. наук, проф. В.Г. Митрофанов (МГТУ «Станкин») 
 

Павлов Ю.А. 
П12  
Основы 
автоматизации 
производства : 
учеб. 
пособие / 
Ю.А. Павлов. – М. : Изд. Дом НИТУ «МИСиС», 2017. – 280 с. 
ISBN 978-5-90846-78-5 

Рассмотрены структурные схемы и основные функции многоуровневой 
системы автоматизированного управления рабочими, технологическими и 
производственными процессами предприятий обрабатывающих отраслей 
промышленности.  
Систематизированы научные принципы классификации, функционального анализа и технико-экономической оценки характеристик современных 
дискретных производств как объектов их комплексной автоматизации. Даны 
основные сведения о цифровых методах формирования информационной 
среды таких производств. 
Изложены теоретические основы разработки систем автоматического 
управления исполнительными устройствами и рабочими процессами технологического оборудования. Приведены современные методы и средства реализации систем автоматизированного управления технологическими процессами в 
гибких компьютерно-интегрированных производствах. Рассмотрены основные 
бизнес-процессы системы автоматизированного управления предприятиями и 
корпорациями, методы их моделирования и информационного обеспечения.  
Предназначено для студентов бакалавриата всех форм обучения и магистрантов по направлениям ВО 29.03.04 и 29.04.04 – Технология художественной обработки материалов. Может быть полезным студентам бакалавриата направления 22.03.02 – Металлургия (профиль «Технология литейных процессов»); магистрантам направления 22.04.02, обучающимся по программам: «Инновационные литейные технологии», «Жидкофазные технологии соединения материалов», а также магистрантам направления 15.04.02 –
Технологические машины и оборудование.  
 
УДК 739 
 

 
 Ю.А. Павлов, 2017 
ISBN 978-5-90846-78-5 
 НИТУ «МИСиС», 2017 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение .................................................................................................... 5 
Глава 1. Системный анализ производственных процессов 
промышленных предприятий .................................................................. 7 
1.1. Классификация производственных процессов 
обрабатывающих производств ............................................................ 7 
1.2. Организационные принципы формирования 
производственной структуры промышленных 
предприятий и объединений .............................................................. 14 
1.3. Принципы организации циклических производственных 
процессов на обрабатывающих предприятиях ................................ 18 
1.4. Методы организации циклических производственных 
процессов на обрабатывающих предприятиях ................................ 24 
1.5. Критерии оценки рациональной организации 
производства на обрабатывающих предприятиях ........................... 28 
1.6. Методы оценки экономической эффективности 
промышленных предприятий ............................................................ 36 
Контрольные вопросы и задания для самостоятельной 
работы студентов ................................................................................ 46 
Глава 2. Принципы создания гибких автоматизированных 
обрабатывающих производств .............................................................. 48 
2.1. Цели, задачи и уровни автоматизации 
обрабатывающих производств .......................................................... 48 
2.2. Степени автоматизации производственных 
процессов и их технологическое обеспечение ................................. 52 
2.3. Системные принципы организации и управления качеством 
продукции компьютерно-интегрированного производства ........... 72 
2.4. Принципы формирования единой информационной  
среды компьютерно-интегрированного обрабатывающего 
производства ....................................................................................... 78 
2.5. Информационная поддержка и управление этапами 
жизненного цикла продукции цифровых обрабатывающих 
производств ......................................................................................... 83 
2.6. Многоуровневая сетевая структура информационноуправляющей системы цифрового обрабатывающего 
производства ..................................................................................... 102 
Контрольные вопросы и задания для самостоятельной 
работы студентов .............................................................................. 115 
Глава 3. Системы автоматизированного управления 
исполнительными устройства оборудования .................................... 118 

3.1. Основы теории автоматического управления 
техническими объектами ................................................................. 118 
3.2. Математическое описание систем автоматического 
управления ........................................................................................ 126 
3.3. Анализ типовой одноконтурной системы автоматического 
регулирования технологическим объектом ................................... 142 
3.4. Методы проектирования систем автоматического 
управления рабочими процессами технологического 
оборудования .................................................................................... 153 
Контрольные вопросы и задания для самостоятельной 
работы студентов .............................................................................. 170 
Глава 4. Автоматизированные системы управления 
технологическими процессами ........................................................... 172 
4.1. Системы программного управления технологическим 
оборудованием в цифровом производстве ..................................... 172 
4.2. Функциональный анализ и классификация систем 
ЧПУ технологическим оборудованием .......................................... 184 
4.3. Сетевые структуры АСУТП обрабатывающих  
производств ....................................................................................... 193 
4.4. Языки и инструментальные средства 
программирования ПЛК .................................................................. 198 
4.5. Методика проектирования автоматизированной системы 
управления роботизированным технологическим комплексом ... 208 
4.6. Автоматизированные системы сбора информации и 
диспетчерского управления технологическими процессами ....... 218 
Контрольные вопросы и задания для самостоятельной 
работы студентов .............................................................................. 225 
Глава 5. Автоматизированная система управления 
промышленными предприятиями ....................................................... 227 
5.1. Общая структурная схема и функциональный 
анализ АСУП .................................................................................... 227 
5.2. Организация процесса планирования производства .............. 237 
5.3. Корпоративные информационно-управляющие 
производственные системы ............................................................. 245 
5.4. Методы моделирования процессов управления 
предприятиями .................................................................................. 259 
Контрольные вопросы и задания для самостоятельной 
работы студентов .............................................................................. 272 
Заключение ............................................................................................ 273 
Библиографический список ............................................................. 276 

ВВЕДЕНИЕ 

Комплексная автоматизация процессов обработки материалов, основных и вспомогательных технологические процессов, а также процессов проектирования, планирования и управления производством 
требует подготовки специалистов разных направлений деятельности 
и уровней квалификации. 
Технологи обрабатывающих предприятий должны обладать компе
тенциями, позволяющими сформировать стратегию автоматизации 
производства, определять требования к системам и устройствам 
управления разных уровней, сопровождать реализацию проекта создания современного цифрового производства, обеспечивать эффективную эксплуатацию автоматизированного оборудования и информационных систем на предприятии. Формирование у студентов разных 
уровней подготовки таких компетенций является основной целью 
учебной дисциплины «Основы автоматизации производства» на кафедре литейных технологий и художественной обработки материалов.  

Учебное пособие включает в себя 5 глав, связанных между собой 

единым процессным подходом к изложению принципов создания 
современных цифровых систем управления стадиями жизненного 
цикла продукции на предприятиях.  
В первой главе учебного пособия изложен системный метод анализа обрабатывающих производств дискретного вида.  Изучение содержания этой главы даёт возможность студентам приобрести требуемые компетенции в определении организационных принципов для 
многостадийного производственного процесса изготовления конкретной продукции и обосновании необходимости автоматизации 
этого процесса. 
Вторая глава содержит несколько тематических разделов, в которых излагаются цели, задачи и уровни автоматизации обрабатывающих производств, даётся подробный анализ последовательности этапов (степеней) его автоматизации, обосновывается переход к гибким 
автоматизированным производствам и их дальнейшему развитию в 
виде компъютерно-интегрированных, а затем цифровых производств. 
Освоение содержания этой главы позволяет студентам приобрести и 
развить ряд компетенций, связанных с информатизацией различных 
производственных процессов, получить знания и умения декомпозиции сложных систем автоматизации производства на подсистемы для 

возможности детального анализа и формулирования дальнейших задач их проектной реализации. 
В третьей главе изложены основы теории автоматического управления техническими объектами, исполняющими рабочие процессы 
на автоматизированном оборудовании, приведены классические математические модели систем автоматического управления (САУ) 
объектами. Изучение этого раздела необходимо студентам академического бакалавриата, учебные планы которых не содержат общетехнических дисциплин по теории автоматического управления и 
промышленной автоматике. 
Четвёртая глава посвящена рассмотрению автоматизированных 
систем управления технологическими процессами (АСУТП) обрабатывающих производств. Освоение материала этой главы даёт возможность студентам приобрести основные компетенции, необходимые для всех областей их профессиональной деятельности. 
В пятой главе рассмотрена типовая структурная схема и проведён 
функциональный анализ автоматизированной системы управления 
предприятием (АСУП). Изучение этого раздела позволяет студентам 
приобрести компетенции, связанные со способностью планирования 
и организации производственного процесса в разных типах производства промышленных изделий. Решение актуальных задач разработки цифровых обрабатывающих производств применительно к 
конкретным предприятиям требует проведения магистрантами 
большого объёма исследований, тематика которых сформулирована 
в заключительной части учебного пособия 

Каждая глава сопровождена списком контрольных вопросов по 

рассматриваемой теме и заданий для самостоятельного изучения 
студентами публикаций в прилагаемом библиографическом списке и 
дополнительных источников информации при выполнении курсового проекта, научно-исследовательской и выпускной квалификационной работы. 

ГЛАВА 1. СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ 
ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ 
ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ 

1.1. Классификация производственных процессов 
обрабатывающих производств 

Производственная система промышленного предприятия состоит 
из комплексов материальных объектов (зданий, оборудования, материалов, инструментов и др.), коллектива людей (работников), производственных, научно-технических (исследовательских и проектных), 
организационно-управленческих и информационных процессов, 
имеющих целью выпуск конечной продукции и обеспечение эффективного протекания основного производственного процесса. 
Производственный процесс – совокупность всех действий работников и орудий труда (оборудования, оснастки и инструментов) на 
предприятии, направленных на превращение в установленные сроки 
исходного сырья и материалов в готовую продукцию заданного ассортимента (номенклатуры), количества, качества и себестоимости. 
Производственные процессы на предприятиях детализируются по 
содержанию (передел, стадия или фаза, операция) и месту осуществления (цех, участок, агрегат, станок или рабочее место).  

Передел – это часть производственного процесса, заканчивающая
ся получением готового полуфабриката, который может быть отправлен в следующий передел или реализован на рынке. В результате последовательного прохождения исходного материала через все 
переделы получают готовый продукт. Например, в камнеобработке 
различают следующие переделы: 0 – добыча массивов блочного камня и другого каменного сырья; 1 – получение блоков из массива камня и их первичная обработка; 2 – распиловка блоков на слэбы и плиты-заготовки и их пропитка; 3 – синтез искусственных полуфабрикатов и заготовок из отходов добычи и первичной обработки камней; 
4 – изготовление различных деталей изделий методами механообработки, термообработки и финишной обработки заготовок и полуфабрикатов; 5 – сборка (монтаж) комплектов деталей при изготовлении 
сложной конечной продукции; 6 – окончательная обработка конечной продукции (покрытия, очистка, реставрация и т.д.). Количество 
переделов зависит от сложности изделия и вида исходного сырья.  

Каждый передел состоит из нескольких стадий или фаз, определяемых комплексом работ, выполнение которых характеризует завершение определённой части производственного процесса и связано с 
переводом предмета труда из одного качественного состояния в другое. В обрабатывающем производстве различают стадии заготовительного, основного обрабатывающего и монтажно-сборочного процессов. К заготовительной фазе относятся процессы получения заготовок: изготовление отливок, штамповка заготовок, распиловка 
блоков камня и другие. Основная обрабатывающая фаза включает 
процессы превращения заготовок в готовые детали: механическая 
обработка, термообработка, электрохимическая и другие виды обработки. Сборочная фаза включает классификацию изготовленных деталей по их параметрам, сборку комплектов деталей, сборочных единиц (узлов), монтаж крупноразмерных деталей, а также испытания 
готовых изделий. 

Многостадийный производственный процесс изготовления каж
дого отдельного вида продукции предприятия называют частным 
производственным процессом (например, процесс производства деталей дорожных покрытий в камнеобработке). В свою очередь, в 
частном производственном процессе могут быть выделены частичные производственные процессы как законченные, технологически 
обособленные и не являющиеся первичными элементы производственного процесса изготовления продукции (например, технологический процесс изготовления каменной брусчатки методом раскалывания плит-заготовок). Обособленные в технологическом отношении 
частичные процессы обычно представляют собой стадии производственного процесса, выполняемые на конкретном предприятии. Первичными элементами производственного процесса являются операции, т.е. технологически однородные части производственного процесса, выполняемые на одном рабочем месте. 

Производственные процессы изготовления продукции на пред
приятии классифицируются по нескольким признакам: целевому 
назначению; масштабу производства; характеру протекания во времени; способу воздействия на предмет труда; характеру применяемого труда; организационному построению.  

По целевому назначению выделяют процессы основные, вспомо
гательные и обслуживающие. Основные производственные процессы 
связаны с превращением сырья и материалов в готовую продукцию, 
являющуюся основной, профильной продукцией для данного предприятия (рис. 1.1).  

Рис. 1.1. Схема основного производственного процесса предприятия 

Основные процессы определяются технологией изготовления 

данного вида продукции (например, подготовка исходного сырья, 
первичная переработка сырья и изготовление заготовок, черновая и 
чистовая обработка заготовок, финишная обработка поверхностей 
деталей, сборка деталей, укладка и упаковка изделий). Такие технологические процессы выполняются в основных цехах или на производственных участках предприятий.  

Вспомогательные производственные процессы направлены на из
готовление продукции или выполнение услуг для обеспечения нормального протекания основных производственных процессов (например, ремонтные службы, тарное производство, инструментальное 
обеспечение и энергетическое хозяйство). Такие производственные 
процессы имеют собственные предметы труда, отличные от предметов 
труда основных производственных процессов. Как правило, осуществляются они параллельно с основными производственными процессами. Обслуживающие производственные процессы обеспечивают 
создание нормальных условий для протекания основных и вспомогательных производственных процессов (например, транспортировка 
сырья, полуфабрикатов и готовой продукции, их хранение, диагностика состояния оборудования, контроль качества процессов и продукции). Они не имеют собственного предмета труда и протекают, как 
правило, одновременно с основными и вспомогательными процессами, чередуясь с ними по выполняемым операциям. 

Объединение основных, вспомогательных, обслуживающих про
изводственных и других процессов в определенной последовательности образует структуру производственного процесса (рис. 1.2).  

Рис. 1.2. Структура производственного процесса на предприятии 

Структура производственного процесса конкретного предприятия 
зависит от следующих факторов: характера изготавливаемой продукции; вида применяемых материалов (металлы, камни, керамики, 
композиты, полимеры и т.д.); числа деталей, их комплектов и сборочных единиц, образующих изготавливаемые изделия; требуемого 
качества изготовления деталей; классификационных признаков и 
особенностей производства. 
По масштабу производства продукции различают следующие 
типы процессов: массовые – при большом масштабе выпуска однородной продукции; серийные – при широкой номенклатуре постоянно повторяющихся видов продукции, выпускаемых партиями, когда 
за рабочими местами закрепляется несколько операций, выполняемых в определенной последовательности; единичные – при постоянно меняющейся номенклатуре изделий, когда рабочие места загружаются различными операциями, выполняемыми без какого-либо 
определённого чередования, при этом большая доля процессов носит 
уникальный характер (например, в опытных производствах). В свою 

очередь, в зависимости от размеров партии серийное производство 
может быть крупно-, средне- и мелкосерийным. 

В условиях сложного динамично развивающего современного 

производства многие предприятия не связаны только с одним типом 
производства. Как правило, на одном и том же крупном предприятии 
имеются цехи и участки массового производства, где выпускаются 
стандартные, унифицированные детали изделий и полуфабрикаты, и 
серийные участки, на которых изготовляются партии полуфабрикатов, деталей и изделий ограниченного применения. Вместе с тем всё 
чаще возникает необходимость формирования участков единичного 
производства, где изготавливаются особые детали и изделия, отражающие их индивидуальные характеристики и связанные с выполнением требований специального заказа. Таким образом, в рамках одного предприятия или его подразделения присутствуют все типы 
процессов, что создаёт особую сложность их сочетания в процессе 
организации производства. 

По характеру протекания во времени выделяют непрерывные 

(процессные), периодические (дискретные) и комбинированные производственные процессы. Непрерывное производство – это совокупность процессов, выполнение которых осуществляется без перерывов и организовано в виде производственной линии, участка, цеха 
или предприятия в целом. Выполнение обслуживающих операций 
происходит в этом производстве одновременно или параллельно с 
основными операциями. К непрерывному типу производства относятся процессы горно-обогатительной, металлургической, нефтеперерабатывающей, химической и ряда других отраслей промышленности, а также процессы непрерывного обслуживания предприятий 
(энергетика, отопление, системы непрерывной очистки воды). Непрерывные процессы имеют большие преимущества по сравнению с 
периодическими: сокращается время производства продукции, максимально используется оборудование во времени, расширяется возможность комплексной механизации и автоматизации производства, 
повышается качество продукции благодаря стабилизации условий 
выполнения всех операций. Периодическое (дискретное) производство – это такой тип производства по изготовлению конечного изделия, основанного на иерархическом описании его состава, в котором 
исходный материал (сырьё) при переработке в конечный продукт 
проходит через конечное число операций. Выполнение основных и 
обслуживающих операций происходит последовательно, в силу чего 
основной производственный процесс оказывается прерванным во 

времени. Дискретный тип производства преобладает в машиностроении, приборостроении, камнеобрабатывающей, лёгкой и многих других отраслей промышленности (более чем на 75% промышленных 
предприятий мира).  
В комбинированных производствах одновременно присутствуют 
непрерывные и дискретные процессы (например, на предприятиях, 
где выпуск продукции носит исключительно дискретный характер, в 
качестве вспомогательных присутствуют непрерывные процессы). 

По способу воздействия на предмет труда выделяют прокатные, 

литейные, прессовые, механообрабатывающие, термические, термохимические, электрофизические, сборочные и другие виды производственных процессов [38, 39].  

По характеру применяемого труда производственные процессы 

разделяются на ручные, механизированные (машинно-ручные и машинные), автоматизированные и автоматические. Ручные (немеханизированные) операции выполняются рабочим без помощи механизмов, 
например, слесарные работы, ручная разметка заготовки и другие. 
Машинно-ручные операции выполняются с помощью машин и механизированного инструмента при непрерывном участии рабочего (например, пайка деталей при помощи специального аппарата и его оснастки, 
маркировка изделия простейшим клеймовочным прессом и т.п.). Машинные операции выполняются на станках, агрегатах, установках и 
другом оборудовании при ограниченном участии рабочего, обычно 
связанном со вспомогательными операциями (например, при механической обработке заготовок на станке). Автоматизированные процессы в основном выполняются без участия человека, за которым 
может остаться только функция наладки и контроля исполнения заданного процесса (например, работа на станке с программным 
управлением). Применение автоматизированных процессов позволяет организовать обслуживание одним оператором нескольких единиц 
оборудования, т.е. увеличить производительность труда. Автоматические процессы полностью высвобождают рабочего от выполнения 
операций, оставляя за ним функции наблюдения за ходом производства, подналадка и оперативная коррекция отдельных параметров 
(например, работа оператора автоматической линии для многооперационного изготовления изделий). 
Существуют следующие принципы организации производственного процесса: дифференциация; комбинирование; концентрация; специализация; универсализация; диверсификация.