Национальный горный университет — соответствие Времени

Что такое автоматизация

Уровень жизни современного человека в значительной степени определяется развитием производительных сил. Производительные силы – это средства производства (техника, ресурсы, энергия) и люди, которые используют эти средства для производства продукции.

Довольно безбедное существование (в материальном плане) современному человеку обеспечила научно-техническая революция, которая началась в середине прошлого столетия и привела к коренному изменению технических средств производства на основе механизации и автоматизации.

Механизация производства – это замена ручных орудий труда (инструментов) машинами и механизмами. Механизация сделала человека сильным и ловким. Она освободила человека от тяжелого и монотонного труда, значительно повысила его производительность. «Сердцем» большинства механизмов является двигатель – вначале это была паровая машина, позднее электродвигатель или двигатель внутреннего сгорания.

Однако ни один механизм или даже комплекс не сможет изготовить, например, электронную микросхему для компьютера или мобильного телефона либо сложную деталь для самолета с использованием только ручного управления. Человек не обладает достаточными для этого точностью и скоростью. И глаз человека (как измерительный прибор), и рука (как исполнительный орган) несовершенны. Поэтому следующим этапом развития производственных мощностей, не менее важным, чем механизация, стала автоматизация производства.

Автоматизация производства – это широкое использование в производственных процессах автоматического и автоматизированного оборудования, в котором функции управления и контроля переданы управляющим и автоматическим устройствам (автоматам).

Слово «автомат» в переводе с греческого означает «самодействующий». В Древней Греции так назывались механизмы и устройства, способные самостоятельно, без видимого участия человека выполнять некоторые простые действия. Первые автоматы использовались жрецами для демонстрации «чудес», якобы создававшейся божественной силой, рис. 1.


Древний механизм автоматического открывания дверей храма

Рис. 1. Древний механизм автоматического открывания дверей храма при разведении жертвенного огня
(При зажигании огня на алтаре под действием тепла воздух в сфере расширяется и вытесняет воду в подвешенную бочку. Вес бочки превышает вес противовеса и цепной привод открывает двери)

В дальнейшем автоматы-игрушки появились в домах знати и использовались для развлечения (рис. 2, видео). В средние века мастера-умельцы неоднократно создавали механических птиц, зверей, фантастических животных, способных махать крыльями, двигаться и рычать. Создавались также подвижные фигурки мифологических созданий и людей.


Автомат механический «Фокусник»»

Рис. 2. Автомат механический «Фокусник» Франция, Ж.Ф.Уден, 1840-1860 г. г.
(Комбинация из двух механических автоматов в едином конструктивном исполнении: часы кинематически связаны с фигуркой восточного волшебника (фокусника), который манипулирует стаканчиками и цветными шариками. Кулачковая система управления, две циклические программы, пружинный привод)

Сейчас автоматы нашли широкое применение в промышленности, на транспорте и в быту. Какую бы функцию не выполнял автомат, его робота определяется программой – определенной последовательностью действий, предварительно заданной человеком. Это – программный автомат. Программа работы автомата может быть заложена в его конструкции, например, в виде кулачкового механизма, в котором кулачок сложной криволинейной формы при вращении сдвигает толкатель или коромысло. Толкатель (коромысло) «копирует» своим движением форму кулачка (рис. 3, анимация).

Кулачковый механизм

Рис. 3. Кулачковый механизм – основа механического программного автомата
(При вращении кулачок, имеющий форму эксцентрика, с помощью толкателя или коромысла действует на объект управления)

В более общем случае автомат реализует сложный закон управления, который может быть задан программой, математической формулой, таблицей или иным способом. При этом автомат может выполнять функцию стабилизации (поддержания технологического параметра на постоянном уровне и компенсация вредных внешних воздействий) или слежения (изменение управляемого технологического параметра в соответствии с каким-либо другим изменяющимся параметром).

Из наиболее известных автоматических систем можно упомянуть:

  • программные системы: игровой автомат, робот-манипулятор; станок с числовым программным управлением, стиральная машина-автомат;
  • системы стабилизации: стабилизатор напряжения питания; инкубатор для искусственного выведения птенцов из яиц (стабилизация температуры); система поддержания уровня воды у водонапорной башне; круиз-контроль для стабилизации скорости автомобиля, автопилот самолета, кондиционер;
  • системы слежения: привод солнечной батареи, поворачивающий панель на солнце; привод радара, отслеживающего движение самолета или иной цели.
  • Основною особенностью системы автоматического регулирования есть тот факт, что она выявляет разницу между желаемым уровнем технологического параметра и реальным его значением. Например, центробежный регулятор частоты вращения двигателя внутреннего сгорания (регулятор Ватта) измеряет реальную частоту вращения вала та изменяет подачу топлива при отклонении реальной частоты от желаемой (рис. 4).

    Автоматический регулятор частоты вращения двигателя

    Рис. 4. Автоматический регулятор частоты вращения двигателя
    (При увеличении частоты вращения вращающиеся грузы расходятся и опускают заслонку, уменьшая подачу топлива. И наоборот, при уменьшении скорости грузы сходятся и поднимают заслонку, поддерживая при этом частоту вращения на практически постоянном уровне)

    Для обеспечения возможности автоматического регулирования необходимо реализовать так называемую обратную связь: подавать выходную величину системы на ее вход. Например, в системе регулирования уровня жидкости в емкости поплавок, который контролирует выходную величину (а именно уровень зеркала жидкости) с помощью коромысла действует на задвижку, которая, в свою очередь влияет на входную величину (подачу жидкости в емкость), рис. 5. Аналогично, в системе регулирования скорости двигателя измеритель скорости (выходной величины) с помощью дроссельной заслонки воздействует на расход топлива (входную величину).

    Обратная связь в автоматическом регуляторе уровня жидкости в емкости

    Рис. 5. Обратная связь в автоматическом регуляторе уровня жидкости в емкости
    (При изменении уровня жидкости поплавок изменяет положение входной заслонки, регулируя подачу жидкости в емкость)

    Если проанализировать приведенные выше примеры автоматов, то можно выявить общие черты, характерные для большинства автоматических систем. Эти общие черты можно проиллюстрировать с помощью функциональной схемы. В структуре типичной автоматической системы можно отметить (рис. 6):

  • объект управления: непосредственно машина или процесс, управление которым и является целью автоматизации;
  • управляющее устройство (регулятор): техническое средство (чаще всего микропроцессорное устройство), которое воздействует на объект управления в соответствии с заложенным законом управления;
  • исполнительный орган: промежуточное звено между управляющим устройством и объектом управления (предназначен для выполнения команд управляющего устройства);
  • задатчик: манипулятор (клавиатура, джойстик и т.п.) с помощью которого оператор имеет возможность задать управляющему устройству желаемые значения управляемой величины;
  • датчик: устройство, измеряющее реальное значение управляемой величины и подающее их в виде сигналов, пригодных для дальнейшей обработки и передачи в управляющее устройство.
  • На рис. 6 показаны два варианта систем автоматического управления:

    а) разомкнутая (без обратной связи), неспособная реагировать на изменения действующего значения управляемой величины;

    б) замкнутая (с обратной связью), в которой есть возможность сравнивать желаемое и действительное значения управляемой величины и корректировать поведение системы.

    Функциональные схемы автоматических систем

    Рис. 6. Функциональные схемы автоматических систем
    (а – разомкнутая система; б – замкнутая система)

    В приведенной выше системе автоматического регулирования частоты вращения двигателя (рис. 4) объектом управления является двигатель, а управляемой величиной – частота вращения вала двигателя. Управляющим органом является заслонка: изменение ее положения непосредственно влияет на расход топлива и частоту вращения. Пара двух зубчатых колес, передающая вращательное движение с выходного вала двигателя на вал центробежного регулятора, в нашем случае является датчиком. Центробежный регулятор выполняет функции управляющего устройства. И, наконец, задатчиком является педаль или рычаг акселератора (на рисунке не показана), которая с помощью еще одной заслонки влияет на подачу топлива в двигатель.

    Основу современного промышленного производства составляют разнообразные машины и механизмы: станки, прессы, мельницы, насосы, конвейеры, краны, роботы-манипуляторы и пр. Для управления этими сложными объектами (а также для управления комплексами машин) используются программируемые логические контроллеры (сокращенно – ПЛК).

    Программируемый логический контроллер – это специальное устройство, реализованное на базе микропроцессора и предназначенное для автоматизации машин и механизмов. Фактически ПЛК – это мини-компьютер в специальном конструктивном исполнении, который может применяться в неблагоприятных условиях внешней среды (рис. 7). Для создания программ для ПЛК используются специальные «инженерные» языки программирования, понятные специалистам различного профиля: электрикам, механикам, технологам, операторам. Ко входам ПЛК присоединяют задатчики (кнопки, клавиатуры, джойстики) и датчики, а к выходам – исполнительные органы машин і механизмов (электроприводы, электроклапаны, контакторы, дроссельные заслонки и пр.), рис. 8.

    Технические средства автоматизации

    Рис. 7. Технические средства автоматизации
    (а – программируемые логические контроллеры; б – панели визуализации)




    Система автоматизации насосной станции

    Рис. 8. Система автоматизации насосной станции с помощью ПЛК Zelio Logic
    (Оператор управляет работой станции с помощью кнопочного пульта или мобильного телефона через SMS-сообщения.
    Для обеспечения мобильной связи с контроллером используется GSM модем )

    Для упрощения «общения» человека-оператора со сложными контроллерами используют панели визуализации – специализированные touch-screen экраны, с помощью которых можно вводить данные в контроллер и считывать из него необходимую информацию. Также в некоторых случаях для дистанционного управления оборудованием можно применять мобильные телефоны или смартфоны.

    Современный этап развития автоматизации характеризуется: во-первых – расширением сферы применения автоматов (автоматика проникает во все сферы жизни человека: медицину, быт, массовую культуру, финансы, природопользование), а во-вторых – внедрением принципиально новых средств автоматики, реализующих интеллектуальные методы управления (экспертных систем, нейронных сетей, генетических алгоритмов, систем нечеткой логики и т.п.).

    В лабораториях автоматики кафедры электропривода Национального горного университета студенты имеют возможность изучить самые современные средства автоматизации (программированные логические контроллеры, интеллектуальные реле, панели визуализации, датчики), приобрести навыки их программирования и использования.


    Скачать эту статью в формате pdf (0,97MB)


    Система Orphus
    © 2006-2017 НГУ Інформація про сайт