История развития средств автоматизации

Почему же автоматические устройства нашли широкое применение лишь в последние десятилетия существования человеческого общества? Движущим источником любой системы машин является двигатель. Если не считать водяное колесо (300 г. до н.э.) и ветряные мельницы (718 г.), первым достаточно совершенным двигателем была паровая машина, созданная Томасом Севери (1698 г.) и Томасом Ньюкоменом
(1705 г.). Именно паровая машина сыграла большую роль в развитии машинного производства со специализацией и разделением труда - производства, называемого мануфактурным (XV-XVI вв.). Важной особенностью паровой машины была ее универсальность с точки зрения использования ее для приведения в действие различных рабочих машин: прядильных, ткацких, металлообрабатывающих и т.д.

Большую роль в совершенствовании паровых машин сыграли изобретенный русским теплотехником И.И. Ползуновым в 1763 г. универсальный тепловой двигатель и паровая машина, изобретенная Джеймсом Уаттом (1784 г.). Здесь впервые были заложены принципы построения устройств автоматического регулирования производственных процессов. В двигателе Ползунова для приведения в движение “огнедышащей машины”- паровоза использовалась энергия пара, получаемого в котле при нагревании в нем воды. Поддержание определенного уровня воды без участия человека обеспечивало, во-первых, безаварийную работу котла и, во-вторых, его высокую производительность по пару. В силу того, что как количество, так и качество топлива, идущего на подогрев котла, не могло быть строго постоянным, а также из-за того, что при различных режимах движения паровоза требовалось различное количество пара, уровень воды в котле сам по себе не мог оставаться постоянным и для его поддержания требовалось увеличить или уменьшить поступление воды в котел.

Рис.2.1. Регулятор И.И.Ползунова

Режим ручного управления в этом случае становился неэффективным, так как любая невнимательность оператора приводила к неравномерности движения машины и даже к взрыву котла. Возникла необходимость создать какое-либо приспособление, которое заменяло бы оператора.

Изобретение Ползунова гениально в своей простоте (рис.2.1): поплавок, перемещение которого однозначно связано с изменением уровня, соединяется с одним из плеч рычага, а другое плечо сочленено с заслонкой на питающем трубопроводе. Такая конструкция позволяет решать как логические задачи (увеличить или уменьшить расход воды в котел на определенную величину в зависимости от изменения уровня воды), так и задачи по перемещению заслонки с использованием преимуществ рычага. При этом вода в котле поддерживается на определенном уровне с небольшими относительно этого уровня отклонениями.

Паровая машина Д. Уатта (рис.2.2) с использованием шарового регулятора (“уравнителя хода” машины) обеспечивала вращение нагрузки (например, шпинделя станка с заготовкой) с постоянной скоростью, что дало возможность поддерживать определенный режим резания и, следовательно, определенное качество поверхности детали, а также приводило к повышению долговечности работы режущего инструмента. Положение шаров, как следует на рис. 2.2, соответствует скорости вращения вала машины. К возможным причинам, приводящим к изменению скорости вращения вала, можно отнести изменение давления пара в питающем трубопроводе и изменение усилия резания из-за неравномерности формы заготовки и, следовательно, величины обрабатываемого слоя, а также из-за износа режущего инструмента, что приводит к изменению момента нагрузки на валу.

Двигатель

Выходной вал

Пар

Клапан

Котел

Регулятор

Металлические шары

Измеритель скорости

Рис.2.2. Регулятор Уатта

Важно отметить, что Уатт, будучи искусным механиком, столкнулся с серьезной задачей: для совершенства конструкции машины необходимо было повысить герметичность между ее поршнем и цилиндром. Эту задачу решил Вилкинсон, создавший совершенный по тем временам расточной станок. Таким образом, появилась система машин, объединявшая паровую машину-двигатель и рабочую машину-станок. До этого времени станки вращались или от ноги, или вручную, причем обработке подлежали в основном заготовки из дерева. Хороший станок, являющийся в настоящее время основой машиностроения, не существовал бы без парового двигателя, в то время как и двигатель мог бы перестать существовать из-за отсутствия удовлетворительного станка.

Понятно, что автоматизация, являясь завершающим этапом развития техники в настоящее время, не могла возникнуть на “ровном месте”. Требовалось существенное развитие самих машин, чтобы реальностью стала задача создания автоматических устройств.

Из истории известно о существовании автоматов и до регуляторов Ползунова и Уатта. Это и вздергивающие ловушки для поимки животных, и автоматические устройства Древней Греции и Рима, использовавшиеся жрецами в культовых целях, и механические игрушки Западной Европы, созданные в Средние века, - прообраз сегодняшних роботов, и т.д. Главной особенностью всех этих автоматов была запланированность действий без учета необходимости приспособления к изменениям окружающей среды. Ранние автоматы – это автоматизм действий, но не автоматическое регулирование. Это обстоятельство важно учесть, чтобы понять высказанную мысль о том, что автоматическое регулирование начинается именно с работ И.И. Ползунова и Д. Уатта.

Из механизмов, сыгравших большую роль в развитии техники и, следовательно, автоматизации, следует особо отметить часы. Идея водяных часов относится к IX веку до н.э. Однако для нас наиболее интересными являются механические часы, поскольку основные их элементы (шестерни, червячные и зубчатые передачи, кулачки) легли в основу как современных станков, так и систем регулирования. Известно, что первыми проектами таких часов были проекты Гюйгенса и Галилея (XVII век) (рис.2.3).

а б

Рис. 2.3. Часы с маятником: а - проект Галилея и б - проект Гюйгенса.

Как уже отмечалось, задача замены человека, принимающего решения по управлению, может осуществляться с помощью ЭВМ. В этой связи следует отметить первую машину, облегчавшую счет,- машину Паскаля - прообраз сегодняшних ЭВМ.

Кратко остановимся на достижениях техники XIX-XX веков.

1860 г.- француз Ленуар создает двигатель внутреннего сгорания.

1884-1885 гг.- Даймплер и Бенц изобретают четырехтактный бензиновый двигатель.

1897 г.- немецкий инженер Дизель создает высокоэкономичный двигатель, названный его именем.

Эти изобретения положили начало решению задач автоматизации по транспортировке.

1889 г.- шведский инженер Лаваль строит первую паровую турбину.

1892 г.- бельгиец Грамм создает электрический двигатель и генератор. Машина Грамма позволила решить важную задачу - передачу энергии на расстояние. Старая система машин с появлением электродвигателя и генератора усложнилась. Между первичным двигателем, черпающим энергию из природы, и рабочей машиной появилось звено выработки и передачи вторичной энергии - электрической. Это звено включает в себя генератор, сеть и вторичные двигатели (электрические). Важной особенностью двигателя явилось то, что он может быть встроен в любую машину - становятся ненужными приводные ремни и трансмиссионные валы. Вместе с работа двигателя может быть программируема. Внедрение электроэнергии во все технические процессы производства создало невиданные возможности для перехода к автоматическим системам, автоматическим станкам, линиям.

Следующей важной вехой в развитии техники явился атомный реактор, созданный итальянским ученым Энрико Ферми в 1942 г. Вслед за его созданием в СССР в 1954 г. была пущена первая в мире атомная электростанция. Важно отметить, что использование автоматики в атомной энергетике не только желаемое, а необходимое условие работы оборудования. Быстрота протекающих в атомном реакторе процессов, а также радиоактивная опасность для операторов - основные причины такой необходимости.

Подводя итог сказанному, можно заключить, что развитие автоматизации было бы невозможно без создания совершенной системы машин, которая явилась основным источником автоматизации.

Следует указать и на развитие средств автоматического контроля, необходимых для функционирования систем регулирования. Приборы, используемые для непрерывного измерения физических величин, характеризующих технологические процессы (температуры, давления, скорости вращения валов, влажности, концентрации и т.д.), имеют сравнительно недавнюю историю. Их использование в системах регулирования связано с развитием электрической и особенно электронной промышленностей. С развитием электронной промышленности связано и создание совершенных регуляторов - устройств, выполняющих логические операции и заменяющих оператора в его умственной деятельности. Важнейшим видом регуляторов в настоящее время являются вычислительные машины, а их разновидностью, используемой в процессах регулирования,- микропроцессоры и контроллеры. Управляющие вычислительные машины позволяют регулировать одновременно несколько параметров технологического процесса, при этом с их помощью могут решаться задачи по оптимизации ведения процесса, информационные задачи по обработке сведений о ходе процесса и т.п.

.