Управление производственными системами

Ю. В. Псигин





            УПРАВЛЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫМИ СИСТЕМАМИ


Учебно-методическое пособие













Москва Вологда Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.391:62-52
ББК 34.5+32.965
     П86



Рецензенты:
ООО «Центр ресурсосберегающих технологий»;
д-р. техн, наук, генеральный директор ООО «УНИТЭК» В. В. Епифанов





     Псигин, Ю. В.
П86 Управление производственными системами : учебно-методическое пособие / Ю. В. Псигин. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. -156 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1336-7

           Изложены основы расчета эффективности применения автоматизированных систем управления и прогнозирования результатов применения этих систем в машиностроительном производстве. Рассмотрены вопросы оценки надежности работы таких систем, организации поточного производства и технического контроля изделий на предприятиях машиностроения.
           Для студентов, обучающихся по направлению 15.03.05 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств», профиль «Технология машиностроения».

УДК 621.391:62-52
                                                          ББК 34.5+32.965














ISBN 978-5-9729-1336-7

    © Псигин Ю.В., 2023
    © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

        ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................8
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ КУРС......................................12
Тема № 1. ПОНЯТИЕ О СИСТЕМАХ И УПРАВЛЕНИИ...............12
  1.1. Свойства и характеристики систем.................12
  1.2. Понятие об управлении............................14
  1.3. Контрольные вопросы..............................16
Тема № 2. ТЕХНОЛОГИЯ ПРИНЯТИЯ УПРАВЛЕНЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ.................................................16
  2.1. Необходимые условия для управления системами.....16
  2.2. Типовые этапы управления.........................17
  2.3. Контрольные вопросы..............................19
Тема № 3. СОВРЕМЕННОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ КАК ОБЪЕКТ УПРАВЛЕНИЯ..............................................20
  3.1. Структура предприятия и управление им............20
  3.2. Три уровня управления. Типовые задачи управления.22
  3.3. Целевой и функциональный подход к управлению.....23
  3.4. Типовые элементы управленческого цикла...........24
  3.5. Структуры систем управления......................25
  3.6. Контрольные вопросы..............................28
Тема № 4. МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫМ ПРЕДПРИЯТИЕМ.........................29
  4.1. Экономические методы управления..................30
  4.2. Административно-правовые методы управления.......31
  4.3. Социально-психологические методы.................32
  4.4. Идеологические методы управления.................34
  4.5. Контрольные вопросы..............................34
Тема № 5. КЛАССИФИКАЦИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ.......................................35
  5.1. Информационные системы...........................35
  5.2. Управляющие системы..............................37
  5.3. Классы структур АСУ..............................38
  5.4. Надежность систем управления.....................40

3

  5.5. Количественные характеристики надежности АСУ.....42
  5.6. Оценка функциональной надежности системы.........44
  5.7. Оценка эффективной надежности системы............45
  5.8. Контрольные вопросы..............................46
Тема № 6. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЕМ (АСУП)..........................47
  6.1. СтруктураАСУП....................................47
  6.2. Методы проектирования и разработки АСУП..........48
  6.3. Типовые проектные решения........................50
  6.4. Постановка задач и порядок разработки их алгоритмов вАСУП.................................................51
   6.4.1. Постановка задачи в АСУП......................51
   6.4.2. Информационная база задачи....................52
   6.4.3. Алгоритм решения задачи.......................53
  6.5. Создание нормативно-справочной базы АСУП.........54
  6.6. Контрольные вопросы..............................55
Тема № 7. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ (АСУТП).....................56
  7.1. Система «технологический процесс - АСУТП» («ТП - АСУТП») .... 56
  7.2. Математическая модель (ММ).......................58
  7.3. Иерархичность системы управления.................60
  7.4. Контрольные вопросы..............................61
Тема № 8. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ
ПРИМЕНЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ..................62
  8.1. Факторы среды, окружающей производителя..........62
  8.2. Основные источники экономической эффективности АСУТП.64
  8.3. Основные затраты на создание и эксплуатацию системы управления............................................65
  8.4. Методика детерминированного расчета экономической эффективности внедрения АСУТП...............67
  8.5. Влияние неупорядоченности производства на экономическую эффективность АСУТП.......................................70

4

 8.6. Методика расчета экономической эффективности АСУТП с учетом неупорядоченности производства..............73
 8.7. Контрольные вопросы.............................75
Тема № 9. ЗАДАЧИ ЧИСЛОВОГО ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ ОБОРУДОВАНИЕМ.............................75
 9.1. Общая характеристика задач ЧПУ.................75
 9.2. Общая характеристика задач ГПМ.................78
 9.3. Общая характеристика задач ГПС.................79
 9.4. Задачи и функции промышленных роботов..........82
 9.5. Контрольные вопросы............................83
ЗАДАНИЯ И ПРИМЕРЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ..............................................85
Практическое занятие № 1. ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ...................................85
 1.1. Пример расчета функциональной и эффективной надежности системы..................................85
 1.2. Задание к практическому занятию №1.............87
Практическое занятие № 2. ДЕТЕРМИНИРОВАННЫЙ
РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ
ВНЕДРЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ...............93
 2.1. Пример детерминированного расчета экономической эффективности внедрения АСУТП.......................93
 2.2. Задание к практическому занятию №2.............96
Практическое занятие № 3. РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ
ЭФФЕКТИВНОСТИ ВНЕДРЕНИЯ АСУТП С УЧЕТОМ НЕУПОРЯДОЧЕННОСТИ ПРОИЗВОДСТВА.......................98
 3.1. Пример расчета экономической эффективности АСУТП с учетом неупорядоченности производства.............98
 3.2. Задание к практическому занятию № 3...........100
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ..............................102
Методика выполнения лабораторных работ..............102

5

Лабораторная работа № 1. УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ ПРОДУКЦИИ..................................................102
  1.1. Система управления качеством продукции..............103
  1.2. Пример расчета показателей качества проектируемого металлорежущего оборудования.............................107
  1.3. Задание к лабораторной работе №1....................112
  1.4. Содержание работы...................................112
  1.5. Порядок выполнения работы...........................113
  1.6. Содержание отчета по лабораторной работе № 1........113
  1.7. Контрольные вопросы.................................113
Лабораторная работа № 2. ОРГАНИЗАЦИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ...................................................114
  2.1. Понятие технического контроля.......................114
  2.2. Задание к лабораторной работе №2....................118
  2.3. Содержание работы...................................119
  2.4. Порядок выполнения работы...........................120
  2.5. Содержание отчета по лабораторной работе № 2........120
  2.6. Контрольные вопросы.................................121
Лабораторная работа № 3. ОРГАНИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫМ ПРОЦЕССОМ.................................121
  3.1. Понятие производственного процесса..................121
  3.2. Простой технологический процесс.....................123
  3.3. Пример расчета производственного цикла простого процесса.................................................127
  3.4. Задание к лабораторной работе №3....................131
  3.5. Содержание работы...................................131
  3.6. Порядок выполнения работы...........................131
  3.7. Содержание отчета по лабораторной работе № 3........132
  3.8. Контрольные вопросы.................................132
Лабораторная работа № 4. ОРГАНИЗАЦИЯ ПОТОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА...............................................133
  4.1. Методика расчета механизированной поточной линии с рабочим конвейером......................................133
  4.2. Пример расчета механизированной поточной линии с рабочим конвейером......................................136

6

 4.3. Задание к лабораторной работе № 4...........138
 4.4. Содержание работы...........................139
 4.5. Порядок выполнения работы...................139
 4.6. Содержание отчета по лабораторной работе №4.140
 4.7. Контрольные вопросы.........................140
ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................141
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК..........................142
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ..............................144
ОСНОВНЫЕ ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ПОНЯТИЯ...................147
ПРИЛОЖЕНИЕ........................................154

7

        ВВЕДЕНИЕ


     Если в прошлые годы главным содержанием профессиональной деятельности инженера были технические и технологические вопросы, то в реальных условиях рынка, риска и конкуренции, экономической самостоятельности важнейшим становится, наряду с техникой и технологией, умение специалиста управлять производством или большими системами.
     В настоящее время практически демонтированы вертикальные связи, а предприятия получили хозяйственную и экономическую самостоятельность. Сокращение объемов производства вызывает разукрупнение и диверсификацию предприятий, рост конкуренции на рынке сбыта продукции. Нехватка инвестиций, рост цен на материалы и оборудование, стоимость рабочей силы, повышение требований к надежности, безопасности и экологичности производственного процесса приводят к росту расходов, а иногда и к полному закрытию предприятий.
     В этих условиях существенно повышаются роль и значение правильно выбранных и своевременно принятых специалистами управленческих решений и их ответственности за последствия этих решений в условиях риска.
     Цель изучения дисциплины - сформировать у студентов представление о том, что любой технологический процесс и любая технологическая система не могут функционировать без системы управления, а также о том, что весь широкий спектр технологических функций может быть реализован только посредством системы управления, эффективность функционирования которой определяется компьютерной техникой.
     Кроме того, студенты должны освоить суть и принципиальные приемы или методологию управления, которые применимы для любых систем машиностроительного производства - от управления отдельным технологическим процессом или единицей оборудования до руководства всем предприятием.
     Изучение данной дисциплины осложняется отсутствием учебников и учебных пособий, отвечающих требованиям программы и включающих все темы курса. Поэтому в настоящем пособии приведены программа курса, темы, подлежащие изучению, и указаны литературные источники, с которыми рекомендуется ознакомиться при изучении дисциплины «Управление производственными системами» (табл. 1). Это не исключает возмож-

8

ности использования и другой научно-технической литературы, не указанной в списке, а также получения практически неограниченной информации через компьютерные информационные сети. Пособие должно помочь студенту изучить теоретический материал, продемонстрировать умение применять основные теоретические положения к решению конкретных практических задач, возникающих в процессе производственной деятельности. Выполнение практических занятий и лабораторных работ также будет способствовать лучшему усвоению теоретического материала.


Таблица 1

Содержание основных тем курса

 №                                                       Рекомендуемая 
п/п     Название темы     Содержание темы                  литература  
                                                         (№ источника) 
 1            2                         3                      4       
 1  Введение              Свойства и характеристики       8, 9, 13, 16 
    в дисциплину.         систем. Понятие об управлении                
    Понятие о системах                                                 
    и управлении                                                       
 2  Технология принятия   Необходимые условия              11, 13, 17  
    управленческих        для управления системами.                    
    решений               Типовые этапы управления.                    
 3  Современное           Структура предприятия          1,4, 5, 11, 17
    предприятие           и управление им. Три уровня                  
    как объект управления управления. Типовые задачи                   
                          управления. Целевой                          
                          и функциональный подход                      
                          к управлению. Типовые элементы               
                          управленческого цикла.                       
                          Структуры систем управления                  
 4  Методы управления     Экономические методы             1,4, 5, 12  
    машиностроительным    управления. Административно-                 
    предприятием          правовые методы управления.                  
                          Социально-психологические                    
                          методы. Идеологические                       
                          методы управления                            
 5  Классификация         Информационные системы.        3,7, 9, 15, 18
    автоматизированных    Управляющие системы.                         
    систем управления     Классы структур АСУ.                         

9

                                      Продолжение таблицы 1

 №                                                        Рекомендуемая
п/п Название темы               Содержание темы            литература  
                                                          (№ источника)
 1          2                          3                        4      
                       Надежность систем управления.                   
                       Количественные                                  
                       характеристики надежности АСУ.                  
                       Оценка функциональной                           
                       надежности системы.                             
                       Оценка эффективной                              
                       надежности системы                              
 6  Автоматизированные Структура АСУП. Методы             2, 3, 6, 9-12
    системы управления проектирования и разработки                     
    производством      АСУП. Типовые проектные                         
    (АСУП)             решения. Постановка задач                       
                       и порядок разработки их                         
                       алгоритмов в АСУП. Создание                     
                       нормативно-справочной                           
                       базы АСУП                                       
 7  Общая              Система «технологический процесс - 2, 3, 6, 8-10
    характеристика     АСУТП» («ТП- АСУТП»),                           
    автоматизированных Математическая модель (ММ).                     
    систем управления  Иерархичность системы                           
    технологическими   управления. Основные                            
    процессами (АСУТП) источники экономической                         
                       эффективности АСУТП                             
8   Экономическая      Факторы среды, окружающей             3, 7-10   
    эффективность      производителя. Основные                         
    применения АСУТП   источники экономической                         
                       эффективности АСУТП.                            
                       Основные затраты на создание                    
                       и эксплуатацию системы                          
                       управления. Методика                            
                       детерминированного расчета                      
                       экономической эффективности                     
                       внедрения АСУТП. Метод                          
                       расчета экономической                           
                       эффективности с учетом                          
                       неупорядоченности                               
                       производства                                    

10

Окончание таблицы 1

 №                                                   Рекомендуемая
п/п  Название темы           Содержание темы          литература  
                                                     (№ источника)
 1         2                        3                      4      
 9  Задачи числового Общая характеристика задач ЧПУ.   6, 11, 14  
    программного     Общая характеристика задач ГПМ.              
    управления (ЧПУ) Общая характеристика задач ГПС.              
    оборудованием    Задачи и функции                             
                     промышленных роботов                         

11

                ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ КУРС




        Тема № 1. ПОНЯТИЕ О СИСТЕМАХ И УПРАВЛЕНИИ



    1.1. Свойства и характеристики систем

     Впервые системный подход к анализу чего-либо был применен Аристотелем (третий век до н. э.), предложившим классификацию, построенную на иерархии общего и частного: вид - род - класс.
     В современном понимании система - это совокупность элементов или подсистем, находящихся во взаимодействии и образующих определенную целостность. Системы бывают различной сложности: объединение, состоящее из ряда предприятий; машиностроительный завод, состоящий из ряда служб, цехов, участков; станок, состоящий из ряда агрегатов, и т. д.
     Различают системы технические (например, металлорежущий станок, автоматическая линия), человеко-машинные (автоматизированные системы управления технологическим процессом - обслуживающий персонал, станок - человек), производственно-экономические (завод, фирма), социальные (персонал, различные группы населения), биологические (человеческий организм, определенная природная зона). В рамках данного курса будут рассмотрены технические, человеко-машинные и производственноэкономические системы вместе с процессами, протекающими в них.
     Функционирование системы в качестве единого целого обеспечивается связями между ее элементами. Элемент системы - это объект, выполняющий определенные функции и не подлежащий дальнейшему расчленению в рамках поставленной перед данной системой задачи. Связи между элементами определяют структуру системы.
     Например, элементом механосборочного цеха (системы) является станок (подсистема, элемент), который может осуществлять изготовление деталей, что является основной задачей данного цеха.
     Дальнейшее расчленение станка на агрегаты для производственного процесса не имеет смысла, но важно для организации технического обслуживания и профилактических мероприятий. Для работников ремонтно-12

го хозяйства важно расчленение станка не только на агрегаты, но и на детали, которые и будут являться первичными элементами.
     Выделение системы, т. е. отнесение к ней определенного перечня элементов, является сложной задачей, особенно для производственных, экономических и социальных систем.
     Элементы относятся к данной системе, если они удовлетворяют следующим основным требованиям:
     -      имеют общую цель, т. е. каждый элемент должен работать и давать свой измеряемый вклад в достижение цели системы;
     -      взаимно дополняют друг друга, т. е. без любого элемента система не может эффективно решать стоящие перед ней задачи;
     -      имеют стабильные организационные, ресурсные и иерархические связи в системе.
     Любая система характеризуется совокупностью (вектором) входов Qвх, совокупностью (вектором) выходов Qвых и параметрами внутреннего состояния^ (рис. 1).


Q вх

               Q вых



X

Рис. 1. Структурная схема системы


     Например, если в качестве системы представить коробку передач вертикально-фрезерного станка, то входом для нее будет являться крутящий момент Мкр, поступающий на первичный вал, и частота вращения последнего; выходом - измененные значения этих показателей до заданных; параметрами внутреннего состояния - сочетание (набор) зубчатых колес, обеспечивающее заданное преобразование (изменение).
     Кроме вышеназванных, существует такое понятие, как большие системы. Оно достаточно условно и характеризуется одним из следующих показателей или их комбинацией:
     1.      Иерархичность системы, т. е. наличие нескольких уровней в ее структуре. Например, автомобильный завод: цех - участок - бригада - исполнитель; станок: агрегат - узел - деталь.
     2.      Наличие в системе элементов различного происхождения: технических, экономических, социальных. Например, предприятие: станки -


13

здания - сооружения (технические элементы) - операторы - ремонтники -ИТР (социальные элементы) - взаимоотношения с банками, производителями техники, потребителями (экономические элементы).
     3.     Количество подсистем более 7. ..10.

    1.2. Понятие об управлении

     Известно несколько определений понятия «управление». Инженерное (прикладное) определение этого понятия следующее: управление - это процесс преобразования информации о состоянии системы в определенные целенаправленные действия, переводящие управляемую систему из исходного в заданное состояние. Выработка и принятие решения - узловая процедура в деятельности руководителя, которая определяет весь дальнейший ход процесса управления.
     Отличительной чертой управления производственным процессом является то, что, прежде чем начнется сам процесс, у руководителя создается его модель, т. е. определяются цели, формы конкретной деятельности, имеющиеся ресурсы и возможности, вероятные трудности и пути их преодоления. Все это формируется в виде управленческого решения, которое относится к числу творческих операций, так как включает элементы неопределенности и риска и предполагает наличие осознанного выбора.
     Управленческое решение - это творческое, волевое действие субъекта управления на основе знания объективных законов функционирования управленческой системы и анализа информации о ее состоянии, состоящее в выборе цели, программы и способов деятельности работников по разрешению проблемы.
     Проблемой называют ситуацию, характеризующуюся таким различием между необходимым (желаемым) и существующим состоянием управляемой системы, которое препятствует ее развитию или нормальному функционированию.
     Необходимо различать ситуационное и опережающее управление. Хороший руководитель не идет вслед за развивающейся ситуацией, а, предвидя ее развитие, принимает опережающие управленческие решения, составляющие основу процесса управления. Управлять - значит решать.
     Отражая многогранность и сложность взаимодействия объективных и субъективных факторов, действующих в производственных системах, 14

управленческие решения отличаются многообразием форм. Все решения, принимаемые в процессе управления производственным предприятием, могут быть разделены по следующим признакам (табл. 2).
     Управленческое решение должно удовлетворять ряду требований:
     -      быть научно обоснованным, компетентным, приниматься на основе достоверной и полной информации с анализом возможных альтернатив;
     -     иметь целевую направленность и адресность;
     -     быть не противоречивым;
     -     отличаться быстродействием и своевременностью;
     -      обладать точностью и ясностью, возможностью быть контролируемым;
     -     быть комплексным, т. е. приниматься с учетом всех факторов;
     -     быть экономичным и эффективным.

Таблица 2

Классификация управленческих решений

По масштабам воздействия          Общие                     
                                  Частные                   
По времени действия               Стратегические            
                                  Оперативные               
По прогнозируемым свойствам       С определенным результатом
                                  С вероятностным исходом   
По методам переработки информации Алгоритмические           
                                  Эвристические             
По числу критериев                Однокритериальные         
                                  Многокритериальные        
По направлению воздействия        Внутренние                
                                  Внешние                   
По глубине воздействия            Одноуровневые             
                                  Многоуровневые            
По способу принятия               Индивидуальные            
                                  Коллективные              
По способу фиксации               Письменные                
                                  Устные                    

15