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. — Моск-
ва : 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 профессиональ-
ной деятельностью магистров по направлению «Автоматизация технологиче-
ских 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 мо-
делирования UML и онтологии инженерных знаний. Представлена функцио-
нальная модель жизненного цикла изделий. 

Содержание учебного пособия соответствует курсу лекций, читаемых ав-

торами в МГТУ им. Н.Э. Баумана. Представленные материалы могут быть ис-
пользованы при подготовке бакалавров по направлению «Автоматизация тех-
нологических 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 позво-
лят создать надежный фундамент для роста жизненного уровня населения и 
обеспечения безопасности страны в нестабильном мире. Поэтому повышение 
производительности труда — одна из стратегических целей российской эко-
номики. Важнейшим средством достижения этой цели является автоматиза-
ция 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 ответ-
ственных решений. 
В рамках одного производственного процесса автоматизация технологи-
ческих процессов всех его стадий дает возможность создать основу для вне-
дрения систем управления производством и систем управления предприяти-
ем. В связи с разными подходами различают автоматизацию непрерывных  
и дискретных технологических процессов. Настоящее учебное пособие по-
священо 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, создан-
ные с помощью систем автоматизированного конструирования посредством со-
единенных 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 Tech-
nology). Применение этой технологии, разработанной в XXI в., невозможно без 
передовых информационных технологий. 

                                                              Предисловие 
 

6 

Предлагаемое учебное пособие сформировано в соответствии с двухуров-
невой 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 осу-
ществляется преобразование входных данных в выходные. Изложению этих 
методов посвящен т. 2 учебного пособия. 
В целом в профессиональной деятельности магистра должны использо-
ваться 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 маги-
стра, изложены в т. 1, гл. 2 (модели), а также в т. 2, гл. 8. Этот вид деятель- 

                                                                 Введение 
 

11 

ности поддерживается программными системами CAE (проектирование), 
CAD (конструирование) и PDM (управление проектной документацией). 
В производственно-технологической деятельности магистра при проек-
тировании технологических процессов используются системы CAPP, а при 
программировании обработки на станках с числовым программным управле-
нием (ЧПУ) — CAM. 
Большое внимание в т. 1 уделено организационно-управленческой дея-
тельности, в частности моделям логистики (гл. 4), оперативного управления 
производством (гл. 5) и управления проектами (гл. 6). Управление проектами 
связано с модернизацией существующих и созданием новых производствен-
ных комплексов. 
Методы управления производством и качеством изделий изложены в т. 2. 
Решение задач оперативно-календарного планирования на предприятиях 
осуществляется с помощью систем MES, задач управления ресурсами пред-
приятия — ERP. В учебном пособии приведены также материалы, которые 
могут быть использованы в научно-исследовательской деятельности магист-
ра (гл. 1, 7 и 12). 
Описаны языки представления информационных моделей, включая осно-
вы системологии: язык построения реляционных баз данных IDEF1X, язык 
функционального моделирования систем IDEF0, унифицированный язык мо-
делирования UML и онтологии инженерных знаний, а также функциональная 
модель жизненного цикла изделий. 
Методы создания интеллектуальных систем, технология экспертного 
программирования, структурированные порождающие системы, геометриче-
ские знания, математические негеометрические знания, интегрирование с ис-
пользованием систем, основанных на знаниях, хранение и отображение баз 
знаний приведены в т. 2, гл. 7. 
Интеллектуальным методам компьютерного имитационного моделиро-
вания процессов управления, включая типы моделей систем, математическую 
и имитационную модели, этапы разработки компьютерной имитационной 
модели системы, посвящена гл. 12, т. 2. 
Материалы, связанные с научно-педагогической, сервисно-эксплуата- 
ционной и специальной видами деятельности, не включены в учебное посо-
бие и требуют отдельного изложения. 
Помимо видов профессиональной деятельности стандартом определяют-
ся требования к результатам освоения основных образовательных программ 
магистратуры. Настоящее учебное пособие отражает соответствие профес-
сиональной компетенции (ПК) выпускников требованиям ГОСа (табл. В.1). 

Таблица В.1 
Соответствие требованиям ГОС 

Код ПК 
Содержание ПК 
Глава (том) 

ПК-1 
Разработка технических заданий на модернизацию и автома-
тизацию технологических процессов и производств
1 

ПК-3 
Составление описания принципов действия и устройств, про-
ектируемых технических средств и систем автоматизации
2 (1); 2 (2) 

                                                                 Введение 
 

12 

Окончание табл. В.1 

Код ПК 
Содержание ПК 
Глава (том) 

ПК-4 
Проектирование архитектурно-программных комплексов ав-
томатизированных систем 
1, 5 (1);  
1, 6 (2) 

ПК-5 
Разработка эскизных, технических и рабочих проектов авто-
матизированных и автоматических производств 
2, 3, 4 (1);  
2, 3 (2) 

ПК-7 
Разработка функциональной, логической и технической орга-
низации автоматизированных и автоматических производств, 
их элементов, технического и программного обеспечения на 
базе современных методов, средств и технологий проектиро-
вания  

1, 2, 3 (1);  
1–6 (2) 

ПК-10 
Оценивание инновационных рисков коммерциализации про-
ектов 
6 (1) 

ПК-11 
Осуществление модернизации и автоматизации действующих 
и проектирование новых автоматизированных и автоматиче-
ских производственных и технологических процессов с ис-
пользованием автоматизированных средств и систем техно-
логической подготовки производства 

6 (1) 

ПК-20 
Руководство разработкой продукции, ее изготовлением, а 
также разработкой средств и систем автоматизации управле-
ния производством, программного обеспечения 

6 (1) 

ПК-21 
Выбор оптимальных решений при создании продукции, раз-
работке автоматизированных технологий и производств 
2–4 (1);  
6 (2) 

ПК-32 
Поддержание единого информационного пространства пла-
нирования и управления предприятием на всех этапах жиз-
ненного цикла производимой продукции 

1, 2, 3, 5 (1) 

ПК-33 
Проведение маркетинга и подготовка бизнес-плана выпуска и 
реализации перспективной и конкурентоспособной продук-
ции, технологических процессов 

1, 6 (1) 

ПК-34 
Организация разработки планов и программ инновационной 
деятельности на предприятии в управлении программами ос-
воения новой продукции и технологии  

6 (1) 

ПК-35 
Координация работы коллектива для комплексного решения 
инновационных проблем  
6 (1) 

ПК-36 
Систематизация и обобщение информации по формированию 
и использованию ресурсов предприятия 
5 (1);  
4, 5 (2) 

ПК-38 
Анализ, синтез и оптимизация процессов автоматизации, 
управления производством, жизненным циклом продукции и 
ее качеством на основе проблемно ориентированных методов

1 (1); 6 (2)