Что такое автоматизация?

Уровень жизни человечества в значительной степени определяется развитием производительных сил. Производительные силы – это средства производства (техника, ресурсы, энергия) и люди, которые используют эти средства для производства продукции. Современный уровень достигнут благодаря трем промышленным революциям, которые коренным образом изменили производственные силы за счет механизации и автоматизации:

• первая (XVIII – XIX вв.) заключалась в переходе от ручного труда к машинному (механизация),
• вторая (вторая половина XIX в. – первая половина XX в.) произошла при массовом применении поточного производства (конвейеров) и электричества,
• третья (1980-ые – настоящее время) заключается в массовом переходе от аналоговых технологий к цифровым и связана с проникновением вычислительной техники и информационно-коммуникативных технологий во всех сферах деятельности человека.

Механизация – это замена ручных инструментов труда машинами и механизмами. Она избавила человека от тяжелого и монотонного труда, позволила повысить производительность труда и расширила возможности человека. «Сердцем» механизма является двигатель. Вначале этим сердцем была паровая машина. Потом на смену ей пришли электродвигатели и двигатели внутреннего сгорания (ДВС). В последнее время из-за экологических проблем наметилась тенденция вытеснения электродвигателями ДВС на транспорте, где ранее он был единственной альтернативой.

Однако с использованием только ручного управления механизмами можно изготовить далеко не все детали и изделия. Например, процессор компьютера, или деталь для реактивного двигателя ракеты имеют требования по точности, превышающие возможности человека. Глаз человека как инструмент измерения, центральная нервная система как система управления и рука как исполнительный элемент не обладают нужными быстродействием и разрешающей способностью. Поэтому следующим этапом развития производственных сил была автоматизация.

Автоматизация производства – применение для функций управления механизмами автоматических и автоматизированных устройств (автоматов), работающих частично либо полностью без участия человека.

В общем случае автомат реализует 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).

В качестве примеров автоматических систем можно упомянуть:

• программные системы: игровой автомат, станок с числовым программным управлением, стиральная машина;
• системы стабилизации: круиз-контроль для стабилизации скорости автомобиля, стабилизатор напряжения в источнике бесперебойного питания, кондиционер;
• системы слежения: привод солнечной батареи, поворачивающий панель за солнцем; электропривода в станке с числовым программным управлением (ЧПУ), осуществляющие перемещения органов станка следя за сигналами задания их положения, поступающими от системы ЧПУ.

Системы стабилизации и все следящие имеют в своем составе систему автоматического регулирования. В них вычисляется разность между заданным и фактическим значением регулируемой величины. Подача на вход системы фактического значения для сравнения с заданным называется обратной связью и осуществляется с помощью датчиков. На основе этой разности регулятор вырабатывает управляющее воздействие на объект автоматизации.

В состав типичной автоматической системы входят:

• объект управления: непосредственно машина или процесс, управление которым и является целью автоматизации;
• управляющее устройство (регулятор): техническое средство (в большинстве случаев на основе микропроцессора), которое воздействует на объект управления в соответствии с заложенным законом управления;
• исполнительный орган: промежуточное звено между управляющим устройством и объектом управления, предназначенное для выполнения команд управляющего устройства, преобразования и усиления сигнала;
• задатчик: манипулятор (клавиатура, джойстик и т.п.) с помощью которого оператор имеет возможность задать управляющему устройству желаемые значения управляемой величины;
• датчик: устройство, измеряющее фактическое значение управляемой величины и подающее в управляющее устройство его в форме, необходимой для управляющего устройства.

Если рассматривать современный электропривод отдельно от системы автоматизации технологического процесса, то в большинстве случаев:

• объект управления – электродвигатель и механизм;
• регулятор – управляющая программа микроконтроллера;
• исполнительный орган – электронный преобразователь параметров электроэнергии;
• задатчик – панель управления электроприводом;
• датчик – датчик скорости или положения на валу двигателя или на механизме.

Если же рассматривать современную систему автоматизации технологических процессов, то в большинстве случаев:

• объект управления – вся машина;
• регулятор – управляющая программа в программируемом логическом контроллере;
• исполнительный орган – электропривода (со своими системами управления внутри) и механизмы;
• задатчик – элементы управления на панели оператора;
• датчик – разнообразные измерители (температуры, давления, веса, положения), размещенные на машине.

Программируемый логический контроллер (ПЛК) – это специализированный компьютер. Его отличия от обычного:

• малые габариты;
• повышенная защищенность от воздействия окружающей среды (температура, пыль, влага);
• гарантированное время выполнения цикла управляющей программы (в отличие от систем Windows, Android).

Для создания программ для ПЛК используются специальные «инженерные» языки программирования, понятные специалистам различного профиля: электрикам, механикам, технологам, операторам.

Панели оператора используются для упрощения «общения» человека-оператора со сложными контроллерами. Это – тактильные экраны, на которых выводятся в понятном представлении параметры технологического процесса и располагаются изображения привычных органов управления (кнопок, переключателей, ползунков).

Современный этап развития автоматизации характеризуется:

1. Расширением сферы применения автоматов (автоматика проникает во все сферы жизни человека: медицину, быт, массовую культуру, финансы, принятие управленческих решений).
2. Внедрением принципиально новых средств автоматики, реализующих интеллектуальные методы управления (экспертные системы, нейронные сети, генетические алгоритмы, системы нечеткой логики и т.п.).

В лабораториях кафедры АЭП студенты имеют возможность изучить самые современные средства автоматизации (ПЛК, панели оператора, электропривода, датчики), приобрести навыки их программирования и настройки.