знаний
Борис ФОМИН
Автоматы служат человеку
Skaning, Djvuing Lykas
МИР ЗВАНИЙ
БОРИС ФОМИН
Автоматы служат человеку
Книга для учащихся старших классов
МОСКВА «ПРОСВЕЩЕНИЕ» 1980
ББК 32.96
Ф 76
h С0601—312
- 4UOV1---014_____
(g) Издательство «Про^ёщений^ 1980
О ЧЕМ ЭТА КНИГА (вместо предисловия)
Задумывались ли вы, мои дорогие читатели, когда была изобретена первая машина и какую работу она выполняла? Ведь, согласитесь^ интересно определить «начало отсчета» технического прогресса.
Произошло это более двух тысяч лет назад. И одной из самых древних машин, сделанных человеком, был... токарный станок, на котором вытачивались деревянные колонны: Правда, его с большой натяжкой можно назвать машиной. Судите сами: заготовку — ствол дерева — привязывали между двумя деревьями и вращали при помощи веревки. Мастер, прижимая резец к вращающейся заготовке, перемещал его вдоль ствола и снимал один слой древесины за другим.
Как мало похоже это устройство на современный токарный станок! Однако, если присмотреться, можно найти общее: на токарном станке обрабатываемую деталь зажимают между двумя бабками, электродвигатель заставляет ее вращаться, а резец, закрепленный в суппорте, перемещается вдоль детали, обрабатывая ее.
Древнейший токарный станок с тем станком, который знаком вам по школьной мастерской или заводу, объединяет еще одна особенность: и тот и другой не могут работать без участия человека.
Применение станков, взявших на себя основную роль по изготовлению детали, позволило осуществить механизацию труда. Но такие обязанности, как, закрепление де-тали^ смену резцов, определение режима резания, приходится выполнять человеку. И если судить в целом, то
3
немалая доля всей продукции, выпускаемой современной промышленностью, изготовляется на станках и машинах, которыми управляют люди.
Вы, конечно, знаете и другое: сейчас создается все больше и больше машин, механизмов, устройств, которые работают без участия человека, сами. Это машины, станки и целые системы, имеющие автоматический принцип действия. О них пишут в журналах и газетах, сообщают в информационных телевизионных и радиопередачах.
Не думайте, что все это далеко от вас — в лабораториях институтов и в цехах заводов, на строительных площадках и орбитальных космических станциях. Нет, автоматические приборы вошли в жизнь буквально каждого человека, и часто повторяемая фраза: «Мы живем в век автоматики» — находит подтверждение на каждом шагу. Возьмите хотя бы себя и мысленно проанализируйте начало своего дня.
Проснувшись рано утром, вы делаете зарядку и идете умываться. Кто помог встать вовремя? Часы-будильник — автоматическое устройство, имеющееся в каждой семье.
Умываясь, вы, возможно, и не подозреваете, что воду в квартиру помогли доставить тоже автоматы. Они, когда нужно, включили насосы и заставили их работать Столько, чтобы в каждой квартире многоэтажного дома была вода. Когда расход воды становится меньше, насосы автоматически отключаются. Если в вашу квартиру подается и горячая вода, то за ее температурой также следят не люди, а автоматические устройства.
Во многих квартирах можно увидеть холодильники, стиральные машины, электроутюги с мигающей лампочкой, радио- и телевизионные приемники. В каждом из этих устройств есть автоматы, порой довольно сложные. Они поддерживают постоянной температуру внутри холодильника, громкость на выходе приемника, не дадут перегреться утюгу, вовремя выключат стиральную машину и т. д.
Вы надеваете школьную форму, прикалываете комсомольский значок, не задумываясь при этом, что ткань одежды соткана на автоматическом ткацком станке, а значок сделал станок-автомат. Люди только налаживали, следили за работой этих станков, не прикасаясь к самим изделиям.
4
Вы достаете из холодильника молоко, сыр, масло, на-, •резаете хлеб. А знаете ли вы, что розлив молока в бутылки, бумажные пакеты, расфасовку сыра и масла в брикеты выполнили автоматические машины, хлеб выпекли на хлебозаводе-автомате?
Но вот вы на улице. На перекрестке —- пустая будка регулировщика, однако уличное движение не нарушается, потому что регулировщика заменил автомат. Это он включает зеленую надпись «Идите» и предупредительную красную «Стойте», переключает огни светофоров.
Жители городов все больше привыкают к автоматическим продавцам, занявшим свои места в помещениях вокзалов, магазинов или просто на улице, около тротуара. Стоит в щель автомата опустить нужную монету, и можно получить газету, тетрадь, карандаш, стакан воды. Десятки таких автоматов обслуживает один человек, который лишь следит за их исправностью.
Появились автоматы и в метро. Одни из них разменивают «серебро» на пятикопеечные монеты, другие, «проглотив» пятикопеечную монету, пропускают вас к поезду, третьи зажигают зеленые огни светофоров. Успешное испытание прошел и автомашинист — устройство, которое полностью заменит водителя подземного поезда.
И все же главное поле деятельности автоматов — в цехах фабрик и заводов. Здесь можно встретить автоматические станки — отдельные и такие, которые работают сообща. Они выстроились в длинную линию. С одной стороны этой линии поступает сырой материал, с другой — выходит проверенная, упакованная продукция. К ней не прикасалась рука человека, но она отличного качества! Ее можно сразу отправить потребителю.
Автоматика — детище нашего времени. Ее достижения — результат творчества тысяч инженеров и изобретателей. Их труд постоянно находится в центре внимания Коммунистической партии и Советского правительства, а задачи, которые предстоит решить в этой области, четко сформулированы в важнейших документах КПСС.
В апреле 1979 г. весь советский народ отмечал знаменательную дату — 50-летие со дня рождения первого пятилетнего плана. И первая, и все последующие пятилетки — это важные ступени в развитии промышленности и сель; ского хозяйства, в подъеме экономики и культуры нашего многонационального государства. В заданиях пятил етпих
5
планов особое внимание уделяется дальнейшему развитию наукй и техники. И это вполне понятно, более того, необходимо. Судите сами: реализация напряженного планового задания, рассчитанного всего лишь на пять лет, не может быть достигнута только за счет увеличения числа машин, пусть даже самых современных. Простое увеличение, скажем, станочного парка приводит к пропорциональному увеличению числа людей, работающих на этих станках. Это, конечно, невозможно, да и нерационально. Поэтому необходимо наращивать объем производства прежде всего за счет увеличения производительности труда каждого работника. А это возможно осуществить лишь путем создания новых, более производительных машин и механизмов, иными словами, путем широкого внедрения автоматизации.
Какие выводы можно сделать из сказанного выше?
Первый вывод: область науки и техники, которую мы называем автоматикой, является одной из важнейших в жизни нашего социалистического государства.
Второй вывод: бурное развитие средств автоматизации требует постоянного притока специалистов, обслуживающих их.
Третий вывод: работа наладчика автоматов или оператора в автоматизированной системе управления не только почетна, но и интересна, позволяет юноше или девушке, выбравшим такую специальность, в полной мере раскрыть свои творческие способности, свой талант.
В год шестидесятилетия Советской власти (в октябре 1977 г.) в нашей стране была принята новая Конституция — Основной Закон Союза Советских Социалистических Республик. Статья 40 Конституции дает всем советским людям право на труд, а статья 47 гарантирует свободу творчества, в том числе научного и технического. Эти права наряду с правом на образование (ст. 45 Основного Закона) позволяют любому из вас, вступающему в большую жизнь, выбрать дело, профессию по душе — в соответствии со своими способностями и склонностями. И чем раньше, определеннее будет сделан этот выбор, тем более весомым будет ваш вклад в общенародное дело строительства коммунизма. Ведь добросовестный труд в избранной области, как гласит статья 60 Конституции СССР, — «обязанность и дело чести каждого способного к труду гражданина СССР...»
6
Подумайте об этом, дорогие читатели, и не спешите отложить книгу в сторону, даже если вы уже избрали будущую свою профессию и этот выбор пал на область, далекую, как вам кажется, от автоматики. Прочитав книгу, вы убедитесь, что сейчас трудно найти профессию, которая бы совершенно была не связана с автоматикой или не пользовалась ее плодами. Говоря это, мы имеем в виду не только труд в сфере механического производства, но и профессии, связанные с экономикой, торговлей, культурой, чисто научными исследованиями и т. д.
Итак, книга, которая у вас в руках, рассказывает о современном состоянии отрасли науки и техники, называемой коротким словом «автоматика». Мы расшифруем это слово, расскажем о многочисленных, порой удивительных профессиях автоматов сегодня и заглянем в их будущее. Это позволит вам понять роль автоматизации в совершающейся в наше время научно-технической революции.
В конце книги дано описание полезных и, мы надеемся, интересных автоматов, которые каждый из вас может изготовить самостоятельно и сделать своими помощниками.
Но не спешите листать страницы. Сначала попытайтесь разобраться в тех законах, которые лежат в основе многочисленных автоматических устройств.
Глава 1.
ЧТО ТАКОЕ АВТОМАТИКА?
ПЕРВЫЕ АВТОМАТЫ
Пожалуй, любому ясно, что машина, работающая без людей, или машина-автомат, сложнее той, которой управляет человек. А если так, то вполне резонно предположить, что вначале появились обыкновенные машины, а потом — автоматы. Но история техники убеждает в другом: автоматические устройства появились раньше машин, более того, создание их дало толчок возникновению машинного производства.
В древние времена служители культа, жрецы, для привлечения верующих и увеличения своих доходов старались поразить доверчивых людей каким-либо «чудом». «Чудеса» придумывались разные, и среди них были и такие, в которых «участвовали» автоматы. В книге, написанной в I в. н. э. знаменитым ученым из Александрии Героном Старшим, рассказывается, например, о дверях храма, открывавшихся, как только в жертвеннике загорался огонь, о монетном автомате, продававшем «святую воду» в храме, н др.
Широкого распространения эти автоматы не нашли, и настоящая автоматика берет начало от других устройств,.
Еще во II в. до н. э. механик Ктезибий, живший в Александрии, изготовил первые водяные часы. Они были просты: из специального сосуда, наполненного водой, вытекала жидкость и через систему зубчатых колес приводила в движение стрелки. Шли одно за другим столетия; Цасы совершенствовались и в дальнейшем сыграли немалую роль в техническом прогрессе. Карл Маркс ни-
8
сал: «Часы являются первым автоматом, созданным для практических целей».
Одно из важнейших применений часов — в навигации. Великие географические открытия,* предшествовавшие промышленной революции, совершались мореплавателями, снабженными простейшими и несовершенными навигационными приборами. Для определения местоположения корабля требуется, как известно, знать широту и долготу. Первый параметр — широту легко определить по звездам. А для нахождения долготы нужно знать не только местное время (его можно было измерить по положению Солнца), но и время по Гринвичу. Их разность позволяет вычислить долготу. Иными словами, на корабле должны быть очень точные часы, которые «хранили» бы время, соответствующее нулевому меридиану.
Над .созданием таких часов работали многие великие ученые. Так, Гюйгенс, отдавший этой задаче большую часть жизни, предложил циклоидальный маятник, у которого период колебаний оставался постоянным независимо от амплитуды. Им же был предложен балансир и другие устройства. Но часы Гюйгенса в условиях морской качки работали плохо.
* Интересно вспомнить об одном конкурсе на изготовление морского хронометра, объявленном в 1714 г. английским Адмиралтейством. Того, кто справится с задачей, ждала премия' в 20 тыс. фунтов стерлингов. Лишь в 1770 г. половину этой суммы сочли возможным присудить англичанину Гаррисону. Вторая половина досталась мастеру часовых дел Кендалу, предложившему свою конструкцию. Знаменитый мореплаватель Кук, сделавший много географических открытий, писал: «Я всегда был уверен в точности определения долготы своего корабля^ имея такой прекрасный прибор, как хронометр Кендала».
Много оригинального было предложено и при создании часов, используемых в обычных условиях. В 1769 г. русский механик И. П. Кулибин Создал часы размером с гусиное яйцо. В этих часах было более тысячи связанных между собой различных деталей. Они заводились раз в сутки и не только показывали время, но и отбивали четверть, половину и каждый час. В верхней части корпуса часов через каждый час открывались дверцы и человеческие фигурки разыгрывали «представление», которое сопровождалось музыкальным перезвоном.
9
Изобретение часового механизма дало толчок для постройки кукол-автоматов, или андроидов, которые повторяли движения людей или животных. Француз Во-кансон, например, в XVIII в. построил автомат-утку, которая била крыльями, крякала и клевала корм. Другой его автомат имитировал музыканта, исполняющего на флейте несколько мелодий.
Два искусных часовых мастера Пьер Жаке Дро и его сын Анри из швейцарской деревни Шо-де-Фон в 1774 г. на выставке в Париже демонстрировали механических людей — писца, рисовальщика и музыкантшу. Писец ростом с пятилетнего ребенка сидел за столом и гусиным пером водил по бумаге. Изредка он макал перо в чернильницу, посыпал написанный лист песком, высушивающим чернила, и стряхивал его. Работая, ои поворачивал голову, следил за движением пера. Рисовальщик па листе бумаги изображал несложные рисунки и сдувал с листа соринки. Музыкантша играла па фисгармонии и после игры кланялась.
Механические куклы вызывали большой интерес людей того времени, и именно их называли автоматами* «Автомат, — говорилось в словаре, изданном в 1900 г., — это фигура какого-нибудь живого существа, двигающаяся, как это существо, посредством скрытого в ней механизма». Сейчас это определение вызывает улыбку, но если вспомнить, что механика тех лет создала лишь отдельные образцы автоматических устройств для нужд производства, то можно понять составителей словаря.
Коротко об интересном. Станки Андрея Нартова. Выдающийся русский механик и изобретатель А. К. Нартов (1693—1756) вошел в историю техники как создатель механического суппорта токарного станка. Благодаря этому устройству токарь больше не должен был держать инструмент: резец зажимался на ползуне, который перемещался вдоль детали па специальной-каретке. Эта каретка могла перемещаться и в поперечном направлении, благодаря чёму регулировалась толщина снимаемой при обработке детали стружки.
Андрей Нартов учился в школе, математических и навигационных паук в Москве. О его незаурядных способностях стало известно Петру I, который дал указание перевести Нартова в Петербург и назначил его своим личным токарем. Работая в дворцовой токарной мастерской, А. К. Нартов построил ряд станков, снабжённых сложными передачами. Среди них были й копировальные, действующие автоматически.
10
Мы вспоминаем о забавных автоматах прошлого потому, что они, содержат немало интересных технических находок в использовании часового механизма и показывают, как изобретатели пытались применять автоматические устройства в практических целях. В самом деле, если куклы-автоматы могут совершать столь замысловатые движения, то нельзя ли механизмами заменить, например, руки прядильщика или ткача?
Ручной труд при изготовлении тканей был основным тормозом увеличения их производства, особенно в XVIII в., когда спрос на ткани резко возрос. Надо было не только увеличить производство тканей, но и сделать их более разнообразными по расцветке. Изобретатели^предложили множество усовершенствований ткацкого станка, среди которых были элементы автоматических устройств, разработанных ранее. Самую удачную машину предложил француз Жаккар. Узор на ткани, вырабатываемый такой машиной, получался автоматически — с помощью картонных пластин с отверстиями, которые, передвигаясь в машине, обеспечивали нужное чередование нитей основы и утка. Для изменения узора в машину ставили другие перфорированные пластины, с иным расположением отверстий в них.
‘Первые попытки внедрения автоматических устройств относятся ко второй половине XVIII в., к периоду промышленной революции, когда капитализм начал создавать новую техническую базу производства. Особенно большое значение имело изобретение автоматического
Описания своих станков Нартов сделал в книге, названной Аим «Ясное зрелище машин». Выполненные автором чертёжи говорят о больших инженерных познаниях и таланте изобретателя.
Об уровне токарного дела в России в ту нору можно судить по письму молодого Нартова Петру I из Англии, куда его командировал царь, датированному 1719 г. Нартов писал царю: «... как скоро прибыл в Англию, пе преминул смотреть всего лутшего, что касается ко оным делам. При сем вашему царскому величеству доношу, что я здесь таких токарных мастеров, которые превзошли российских мастеров, не нашел и чертежи машинам, которые ваше царское величество приказал здесь зделать, я мастерам казал и оные зделать по ним не могут ...»
В западных странах станки с механическим суппортом появились лишь через 70 лет после изобретения А. К. Нартова. Первый токарный станок с суппортом в Англии был построен лишь в 1794 г., его создателем был Генри Модели, кузнец и механик, работавший в мастерской по изготовлению замков.
11
суппорта токарного станка. Долгое время считалось, что самоходный суппорт, перемещающий резец вдоль детали, обрабатываемой на токарном станке, изобрел в. 90-х годах XVIII в. англичанин Модели. Однако исследования показали, что русский механик Андрей Нартов изобрел его значительно раньше, в 20-х годах XVIII в.
Важную роль сыграло и изобретение автоматического регулятора. Автоматическое регулирование впервые было применено русским изобретателем Иваном Ползуновым. В созданной им в 1765 г. паровой машине поплавковый регулятор «следил» за уровнем воды в котле. Джеймс Уатт в своей знаменитой паровой машине применил два важных автоматических устройства: центробежный регулятор, который, изменяя подачу пара в цилиндр, поддерживал постоянной частоту вращения маховика, и парораспределительную коробку с золотником для переключения клапанов машины. Машина Уатта оказалась настолько совершенной, что в дальнейшем в нее почти не было внесено никаких принципиальных изменений.
Расширение промышленного производства, открытия в области механики и электротехники вызвали появление новых автоматических устройств. В конце XIX и начале XX в. они появляются не только в текстильных и ткацких машинах, но и в йрессах для штамповки мелких деталей, в телеграфной аппаратуре, в машинах, вырабатывающих массовую продукцию: конфеты, пуговицы и т. д.
Сейчас нет такой отрасли народного хозяйства, в которой не применялись бы автоматы. И все же о том, где они больше всего нужны, поговорим особо.
ГДЕ НУЖНЫ АВТОМАТЫ?
Приходилось ли вам видеть, как работает токарь? Точными движениями руки он поворачивает рукоятки, устанавливает нужные лимбы, подводит резец к детали. Если рабочий делает много одинаковых деталей, его движения становятся привычными, заученными, он производит их почти не задумываясь. Работа становится однообразной, малопривлекательной. Ее лучше поручить станку-автомату, который без вмешательства человека будет делать то же самое, но значительно точнее и быстрее.
Правда, такие станки могут, как правило, обрабатывать одно вполне определенное изделие, но, если выпуск
12
такой продукции составляет многие тысячи штук, затраты на создание станка-автомата окупятся быстро.
Итак, автоматы прежде всего нужны там, где налажено массовое производство изделий: на автомобильных, тракторных, часовых заводах, на предприятиях текстильной, пищевой промышленности; Они позволяют при лучшем качестве изделий резко увеличить производительность трудаj а это является главнейшим условием создания материально-технической базы коммунизма.
Применяются автоматы и для управления современной техникой, которую отличают высокие скорости. Если паровоз Черепановых двигался со скоростью 3,4 м/с, то современный реактивный самолет в секунду пролетает сотни метров. Роторы паровых и газовых турбин делают тысячи оборотов в минуту. Ракета, выводящая космический корабль на орбиту, движется со скоростью несколько километров в секунду. Попробуйте уследить без автоматических помощников за такими стремительными процессами — ничего не получится! Лишь автоматы облада-ют необходимой быстротой реакции. Они не дадут ротору турбины превысить частоту вращения, не позволят самолету или ракете отклониться от заданного курса.
Не обойтись без автоматики и при осуществлении многих «тонких» технологических процессов.. Возьмем, химическое производство. Иногда малейшее отклонение температуры, давления, концентрации веществ от заданной величины приводит к браку или делает химическую реакцию невозможной. На ход реакции в ряде случаев влияет напряжение или сила тока, интенсивность электрического или магнитного полей и многое другое. Наши органы чувств не могут регистрировать малейшие изменения этих физических величин. Такой способностью человек наделяет автоматические устройства.
Нужна автоматика и в производствах, которые опасны для жизни и здоровья человека. Таких производств немало: получение радиактивных веществ и работа на атомных электростанциях, изготовление красителей для текстильной промышленности и сильных ядов для борьбы с сельскохозяйственными вредителями, многие взрывоопасные производства — всего не перечислишь. Присутствие человека здесь вредно для его организма, а в целом ряде случаев.просто невозможно. И человеку помогают автоматы. Они работают надежнее, а если и оши
13
баются, то это не сопровождается человеческими жертвами.
Или возьмем изучение космоса. Советские люди первыми побывали в космическом пространстве. Сделать это удалось с помощью самых совершенных средств автоматики. Спутника Земли — Луну сначала «увидели» и посетили автоматические космические корабли. Без средств автоматики, управляемой на расстоянии, сфотографировать обратную сторону Луны, осуществить работу «Лунохода» на ее поверхности или доставить на Землю лунный грунт было бы невозможно. Но и тогда, когда нога человека ступила на поверхность Луны, никто не сомневался, что произошло это благодаря использованию целого комплекса автоматических устройств.
В лабораториях ученых, при конструировании и испытании новых машин автоматы стали верными помощниками человека. Они регистрируют и подсчитывают метеориты, попадающие в земную атмосферу, производят измерения различных физических величин и записывают их на ленту, делают снимки искровых разрядов и т. д.
Нужно отметить еще одну важную область применения автоматики ~ сельское хозяйство. Наш народ взял курс на крутой подъем всех отраслей сельскохозяйственного производства. В решении этой задачи автоматика призвана сыграть большую роль. До последних лет в сельском хозяйстве применялись лишь отдельные автоматические устройства. Сейчас успешно создаются полностью автоматизированные сельскохозяйственные машины.
На Украине прошел испытания автоматический свеклоуборочный комбайн, который ведет специальная следящая система. Для уборки хлопка тоже сконструирована автоматическая хлопкоуборочная машина. Созданы системы орошения, которые автоматически подают воду на поля в зависимости от влажности почвы. При этом учитывается даже прогноз погоды: автоматы не пустят воду, если вскоре ожидается дождь. Имеются и полностью автоматизированные теплицы. В них без вмешательства человека включается и выключается освещение, вентилируется воздух, производится подкормка растений удобрениями. В инкубаторах автоматы следят за температурой воздуха и сигнализируют о появлении . цыплят.
Уже работает автоматическая линия обработки яиц. В птичнике длиной около 100 м вдоль гнезд тянется кон
14
вейер. На него скатываются из гнезд яйца и доставляются на яйцесборочный стол. Здесь яйца сортируются, подвергаются клеймению и отбраковке, а затем специальный автомат осторожно укладывает их в тару.
С детства нас учат беречь время, не тратить его попусту. Сейчас экономия времени стала такой же важной задачей, как экономия сырья, электроэнергии. На предприятиях, в конструкторских бюро, в научно-исследовательских институтах экономить время помогают «умные» автоматы — вычислительные машины. Они производят всевозможные расчеты, математически обрабатывают результаты исследований, причем делают это в тысячи раз быстрее, чем человек.
Выше уже упоминалось о торговых автоматах, заменяющих продавцов. Они тоже помогают нам экономить время: ведь их можно установить сколько угодно и благодаря этому одновременно обслуживать большое количество покупателей.
Итак, мы показали основные области применения автоматических устройств. Подробнее об этом пойдет разговор дальше. Но уже из этого краткого обзора видно, что применение автоматов вызвано потребностями производства, нуждами общества.	7
Теперь поближе познакомимся с принципами, которые легли в основу создания автоматических устройств.
СТАНКИ-ПОЛУАВТОМАТЫ И СТАНКИ-АВТОМАТЫ
Полностью автоматизированные станки появились не сразу. Вначале автоматизации подверглись операции, связанные непосредственно с обработкой детали.
В цехе стоит станок. Рабочий закрепляет в нем заготовку и нажимает кнопку пуска. Станок сам, ^без постороннего вмешательства обрабатывает деталь. Одна за другой совершаются производственные операции, но вот снята последняя стружка и станок автоматически останавливается. Рабочий снимает готовое изделие, закрепляет новую заготовку и опять пускает машину. Перед нами с т а и о к-п олуавтомат. Он для изготовления каждой новой детали, повторения автоматического цикла требует вмешательства рабочего.
Освоив полуавтоматы, люди затем научились делать станки, в которых подача заготовки, закрепление ее в
15
станке, обработка, снятие готовой детали и очередной пуск станка производятся самой машиной, без участия рабочего. Это с т а н к и-a в т о м а т ы. Они — новый этап автоматизации производства.
Механические станки-автоматы, как правило, устроены более просто, чем универсальные станки, на которых можно изготовлять самые разнообразные детали. У станка-автомата есть распределительный вал, снабженный выступами-кулачками. Эти кулачки при повороте вала передвигают толкатели и заставляют сверла и резцы воздействовать на деталь. Совершит распределительный вал один полный оборот — и снова повторяется весь цикл обработки.
Если наладка станка в процессе его работы будет разрегулирована, то он начнет выдавать брак. Такие автоматические устройства, лишенные самоконтроля, называются нерефлекторпыми. Они — первая ступень автоматизации.
Более сложные станки-автоматы удалось наделить «органами чувств». Эти станки сами контролируют свою работу, сами настраиваются на более выгодный режим работы, сами предотвращают брак. Станки, способные следить за своими действиями во время работы, относятся к рефлекторным автоматическим устройствам. Конструкция их может быть самой разнообразной.. Чтобы разобраться в ней, познакомимся с важным понятием автоматики — с обратными связями.
ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЕ И ОТРИЦАТЕЛЬНЫЕ ОБРАТНЫЕ СВЯЗИ
Мальчика звали Гемфри Поттер. Жил он в. Англии два с половиной века назад, был беден и поэтому с детства должен был зарабатывать себе на хлеб. Трудился он на шахте, где откачка воды производилась при помощи паровой машины, изобретенной Томасом Ньюкоменом. Это была громоздкая, несовершенная машина. Действовала она так: в цилиндр под поршень из парового котла впускался пар. Он поднимал поршень до самого верха. Потом паровой -кран закрывали, открывали другой и в цилиндр поступала холодная вода. Пар конденсировался, в цилиндре образовывалась пустота, и поршень под дей
16-
ствием. атмосферного давления опускался вниз. Движение поршня передавалось насосу.
Обязанности Гемфри Поттера были просты: поочередно открывать и закрывать краны. Когда ему надоела такая однообразная работа, он решил поручить ее... самой машине. Гемфри связал шток поршня и краны веревочками. Как только поршень оказывался вверху, веревочки натягивались, закрывали паровой и открывали водяной кран. В нижнем положении открытым оказывался паровой кран, а водяной — закрытым.
Так человек научил машину управлять своими движениями. Эта способность сейчас используется во многих устройствах. Возьмем, например, автомобильный двигатель. В нем в строгой последовательности открываются то одни, то другие клапаны, благодаря чему чередуются такты: всасывание рабочей смеси, сжатие ее, рабочий ход, когда сгорают пары бензина, и выпуск отработавших газов.
В технике существуют условные понятия: вход и выход машины. В паровой установке вход — это подача пара, выход — движение поршня. Если они между собой связаны, то говорят, что осуществлена обратная связь, т. е. связь выхода с входом.
В шаровой машине или в автомобильном двигателе эта связь положительная. Чем быстрее движется поршень (выход машины), тем чаще открываются и закрываются клапаны (вход машины).
Положительная обратная связь широко применяется не только в механических устройствах, по и в электрических цепях, например в радиоприемниках. Так, положительная связь цепи анода (выход) с цепью управляющей сетки электронной лампы позволяет увеличить напряжение принятого сигнала в 10...20 раз и таким образом сокращает число усилительных ламп.
Иную задачу решает обратная связь в автоматических регуляторах. Каждый такой прибор имеет чувствительный элемент’—датчик, или первичный преобразователь — устройство, которое чутко реагирует на изменение частоты вращения вала двигателя, уровня жидкости в баке, температуры в печи и т. д.
В автоматическом регуляторе, созданном двести лет назад И. И. Ползуновым, чувствительным элементом служил поплавок. Когда вода поднималась выше нужного
17
уровня, поплавок тоже поднимался вверх и через несложное устройство прекращал подачу воды в котел.
Многим известен центробежный регулятор частоты вращения. Если вал начнет вращаться слишком быстро, шары регулятора разойдутся, поднимутся выше. Это изменение положения шаров тотчас передастся через систему рычагов заслонке, и в машину будет поступать меньшее количество пара, топлива или воды. Частота вращения вала двигателя уменьшится. При замедлении вала регулятор увеличивает подачу пара, топлива или воды, и частота вращения вала возрастет.
Во всех подобных регуляторах также ’осуществлена связь выхода с входом. Но связь эта иного характера, ее называют отрицательной, так как на увеличение уровня воды или частоты вращения вала регулятор отвечает уменьшением подачи воды, топлива.
Цепи обратных связей — необходимый элемент современных автоматических машин и механизмов. Создавая их, человек, порой бессознательно, копировал... собственный организм. Чувствительные клетки любого живого организма постоянно получают сигналы от внутренних органов и из внешнего мира. По нервным волокнам эти сигналы поступают в мозг, который сравнивает их между собой, анализирует и отдает команды различным органам. Наш организм наделен множеством регулирующих механизмов. Они следят за дыханием, потовыделением, давлением крови, содержанием кислот и щелочей в тканях. Конечно, обратные связи в живом организме значительно сложнее, чем в любой автоматической машине. Однако принцип их одинаков. Создавая автоматы, инженеры и изобретатели старались снабдить их устройствами, которые выполняли бы те же задачи, что и нервные клетки организма. Роль этих клеток в современной автоматике играют всевозможные датчики, усилители и реле.
ДАТЧИКИ — «ОРГАНЫ ЧУВСТВ» АВТОМАТОВ
/ Каждый из вас не раз читал или слышал о «глазах», «ушах», «чутких пальцах» машины. Разумеется, это только образные сравнения, но они позволяют лучше понять принцип действия того или иного автомата. Когда говорят об «органах чувств» автоматических устройств, то имеют в виду «чувствительные элементы», или датчики,
18
реагирующие на изменения каких-либо физических параметров. Вот несколько примеров.
В цехе работает обыкновенный станок-цолуавтомат. Он заканчивает обработку детали, и резец оказывается в крайнем положении. Вместе с резцом передвинулся и специальный упор, который нажимает на рукоятку станка, и станок останавливается. Конечный выключатель — так называется это устройство — работал как бы на ощупь, выполнил операцию выключения не хуже человека.
По глади водохранилища мчится теплоход на подводных крыльях. Наступили сумерки, но рулевой уверенно ведет корабль: впереди зажглись красные и белые огни бакенов. Кто их включил? Автомат, питаемый аккумуляторами. А «глазом» этого автомата служит фотоэлемент. Круглые сутки смотрит он в небо. Днем, когда светло, в фотоэлемент попадает много света, и он хорошо пропускает ток. Электромагнит под действием этого тока размыкает цепь питания фонаря. С наступлением вечера свет, воздействующий па фотоэлемент, ослабевает, и ток в его цепи прерывается. Одновременно пружина, которая днем удерживалась электромагнитом, замыкает цепь питания фонаря бакена, и он загорается. А утром этот же элемент погасит фонарь.
. Есть у некоторых автоматов и электрические «уши». Это знакомый каждому микрофон. Предположим, его установили перед входом в гараж. Стоит подъехавшей автомашине дать сигнал, как под действием звуковых волн угольный порошок микрофона изменит свое сопротивление и соединенный с микрофоном автомат включит Электромотор. Створки ворот раздвинутся — машина мо-$кет въезжать в гараж. Чтобы автомат узнавал «свою» Машину, его немного усложняют, заставляют срабатывать, например, только на четыре коротких сигнала.
Обоняние позволяет нам различать самые разнообразные запахи. Наделены этой способностью и автоматы, установленные, например, в шахте. Известно, какую опасность под землей представляют горючие газы. Если их концентрация велика, то от случайной искры может произойти взрыв. Чтобы этого не случилось, в разных местах шахты устанавливают небольшие коробки с мембранами. Внутри каждой коробки — раскаленная током спираль. Горючие газы, попав в коробку через ее пористые стенки, сгорают, и внутри создается пониженное давле
19
ние. Мембрана втягивается в коробку и замыкает при этом контакт сигнала, предупреждающего об опасности.
В текстильном, химическом и ряде других производств очень важно иметь растворы кислот строго определенной концентрации. Есть датчики, которые чутко отзываются на «вкус» раствора. В бак, где смешивается, например, серная кислота с водой, опущены два электрода. Если концентрация раствора нормальна, в бак непрерывной струей вливается кислота. Но вот. концентрация превысила допустимую, следовательно, • электропроводность раствора возросла. Ток между электродами, а значит, и во всей цепи, куда они включены, увеличивается. Этого достаточно, чтобы сработал электромагнит и прекратил поступление кислоты.
Кроме пяти органов чувств — осязания, зрения, слуха, обоняния и вкуса, человек имеет орган равновесия — так называемый вестибулярный аппарат, расположенный во внутреннем ухе. Там имеются два мешочка и полукружные каналы, заполненные тканевой жидкостью — эндолимфой. В эту жидкость погружены волоски, оканчивающиеся чувствительными клетками, связанными нервами с головным мозгом. Стоит человеку наклонить голову или изменить положение тела, давление жидкости на волоски изменится и в головной мозг поступит соответствующий сигнал. Вестибулярный аппарат реагирует также на вращение тела и на поступательное движение» Он играет огромную роль в обеспечении равновесия.
В автоматике создано немало устройств, обязанности которых подобны обязанностям вестибулярного аппарата человека. Например, автопилот в самолете — прибор, который не дает самолету сбиться с курса или изменить горизонтальное положение. Главная его деталь — вращающийся волчок — гироскоп, который всегда стремится сохранить положение оси вращения. И если, например, самолет накренился, волчок останется на месте, а ползунок, укрепленный на нем, начнет перемещаться по контактам. Это тотчас приведет в движение соответствующие тяги, и самолет выровняется.
Своеобразным «вестибулярным аппаратом», снабжают автоматические весы коромыслового типа. На коромысле таких весов прикреплена U-образная стеклянная трубка с ртутью. В одно из ее колен опущена проволочка с большим удельным сопротивлением, включенная в
20
электрическую цепь. Когда весы не уравновешены, трубка наклонена в сторону колена без проволочки.. В другом колене уровень ртути настолько низок, что обнажается проволочка* Сопротивление цепи, в которую она включена, оказывается большим, а ток в цепи — малым. Чем больше становится груз, взвешиваемый весами, тем больше выравнивается коромысло. Наступает момент, когда коромысло и U-образная трубка займут нормальное положение т— весы уравновешены. В этом случае вся проволочка окажется погруженной в ртуть, а так как ртуть — хороший проводник, то сопротивление цепи сильно уменьшится. Ток в ней возрастет, и электромагнит прекратит подачу материала на весы.
Датчики современных автоматических устройств вполне справляются с обязанностями всех органов чувств, которыми наделен человек. Причем подчас они «видят» и «слышат» то, что нам недоступно. Так, мы не слышим ультразвук, наше зрение не реагирует на инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские лучи, а датчики, если нужно, чутко отзываются и па эти «раздражения».
Мы не рассказали и десятой доли того, па что способны реагировать «чувствительные элементы» современных автоматов. Ведь «органов чувств» у них значительно больше, чем у человека.
Можем ли мы замечать ничтожные колебания атмосферного давления или реагировать на электрические или магнитные поля? Нет, а специальные датчики наделены такой способностью. Они безошибочно отмечают малейшие изменения силы тока, величины напряжения, магнитных и других свойств вещества. Родившиеся в датчиках сигналы — это Ценная и точная информация о том, как работает та или иная машина, как протекает технологический процесс.
Итак, датчик — это устройство, которое воспринимает воздействие измеряемого или регулируемого параметра и преобразовывает его в электрические сигналы. Эти сигналы играют роль команд, подаваемых исполнительным органом автоматических устройств. Чем меньше воздействие, на которое реагирует датчик, тем он чувствительнее. В зависимости от требующейся чувствительности, от того, на какой параметр должен реагировать датчик, а также в каких условиях ему придется работать, выбирают тот или иной тип датчика.
21
Например, нужно следить за уровнем бензина в баке автомашины. Самое подходящее и к тому же наиболее простое устройство для этого — реостатный датчик (первичный преобразователь). Подвижный контакт реостата связан с помощью рычага — спицы с поплавком, находящимся на поверхности бензина. Заполнили бак бензином, поплавок поднялся вверх и переместил подвижный контакт реостата. Его сопротивление уменьшилось, а ток в цепи, в которую включен не только реостат, но и прибор, стал больше. Стрелка прибора покажет, сколько налито бензина в бак. Реостатные датчики используются также для того, чтобы следить за усилиями, воздействующими па различные детали или элементы конструкции. Чем больше усилие, тем значительнее деформация, а следовательно, и перемещение движка реостата.
Для измерения деформаций используют также тензодатчики (измерительные преобразователи), представляющие собой тензорезистор из тонкой нихромовой или константановой проволоки, имеющей, как известно, большое удельное сопротивление. Проволока в виде плоских петель помещается между двумя изоляционными пластинами и все устройство наклеивается на деталь, деформация которой нас интересует. Такой тензодатчик чувствителен к сжатию или растяжению. При деформации детали деформируется и нихромовая проволочка тензодатчика. Ее электрическое сопротивление изменяется. Прибор тут же зафиксирует это изменение сопротивления, а значит, и деформацию.
Надо заметить, что датчик включают в измерительную цепь по так называемой мостовой схеме (рис. 1). «Мост» состоит из четырех элементов — плеч, в одном из которых включен датчик. В противоположное плечо часто включают второй такой же датчик (это делается для увеличения чувствительности устройства), причем для установки второго датчика выби-
Puct I, Тензодатчик рают такое место, где дефор
22
мация имеет противоположный знак. Измерительный прибор подключают в диагональ моста. Мост отрегулирован так, что, когда нет деформаций, ток через прибор не протекает. Специалисты говорят: «Мост уравновешен». Но стоит подвергнуть деталь деформации, как сопротивление тензодатчиков изменяется и равновесие моста нарушается. Прибор отметит это нарушение отклонением: стрелки.
Если необходим более чувствительный тензодатчик, то
его изготовляют не из проволоки, а из тонкой фольги. Такой датчик прочно наклеивают на деталь и с его помощью измеряют величину деформации или деформирую-
щего усилия, массу, давление, крутящий момент и т.д. Широко распространены индуктивные и емкостные датчики. Индуктивный датчик (рис. 2) представляет собой катушку со стальным сердечником, который под действием усилия, пропорционального величине из
меряемого параметра, может перемещаться внутри катушки — вдоль ее оси. Эти изменения вызывают изме
нение индуктивности катушки, а следовательно, и разбалансировку моста, в одно из плеч которого включена эта. катушка. В емкостном датчике перемещается одна из пластин конденсатора. Как известно, электрическая емкость плоского конденсатора зависит от площади пластин и расстояния между ними. Если одну пластину сделать неподвижной, а вторую укрепить на детали, испытывающей те или иные механические воздействия, то изменения емкости такого конденсатора будут пропорциональны величине перемещений пластины, т. е. величине воздействий, испытываемых деталью.
Удобны для измерения усилий и давлений пьезо-, электрические датчики. Главный элемент в них — кристалл сегнетовой соли, обладающий замечательной способностью при сжатии «рождать» электрические заряды. Причем величина заряда прямо пропорциональна испытываемому давлению. О том, что заряды,
23
возникающие в пьезоэлементе, можно выделить и обнаружить, свидетельствует хотя бы работа звукоснимателя радиолы — колебания кристалла сегнетовой соли преобразуются в электрические сигналы, которые затем усиливаются и заставляют звучать громкоговоритель.
Познакомимся с некоторыми приборами, содержащими те или иные датчики, которые помогают автоматизировать ход различных технологических операций. Если необходимо постоянно следить за давлением газов или жидкостей, то применяют’ сильфоны — гофрированные цилиндры из упругого материала. При увеличении давления цилиндр деформируется и соединенный с ним рычажок передвигает пластину емкостного датчика (якорь индуктивного или движок реостатного датчика). Для измерения давления в миллионных и даже миллиардных долях мм рт. столба служат ионизационные вакуумметры. Баллон этого прибора с помощью трубки соединен с системой, давление в которой надо контролировать. В манометре смонтированы катод, который в раскаленном состоянии испускает электроны, и анод, имеющий отрицательный потенциал. Испускаемые катодом электроны сталкиваются с молекулами нейтрального газа, попадающего в баллон через соединительную трубку, и ионизируют эти молекулы. Это значит, что электрически нейтральные молекулы превращаются в совокупность заряженных частиц — электронов и положительных ионов. Последние притягиваются к коллектору, и в его цепи возникает ток. Чем сильнее разрежение газа в измеряемой системе, тем реже происходит ионизация молекул и тем меньше положительных ионов «примет» анод, ток в цепи анода уменьшается. Этот прибор- позволяет непрерывно следить за изменением давления.
Явление ионизации широко используется и при измерении интенсивности радиоактивных излучений. Заряженные частицы, возникающие при радиоактивном распаде, подобно быстрым электронам, способны ионизировать нейтральные молекулы газа, помещенного в так называемую ионизационную камеру. Эта камера представляет собой сосуд в виде цилиндра, по оси которого натянута проволочка — электрод. Вторым электродом является сам корпус — цилиндр. Если камеру поместить в зону радиоактивного излучения и между ее электродами создать разность потенциалов, то возникнет ионизацион
24
ный? ток, величина которого зависит от интенсивности радиации. Аналогичную конструкцию имеет ионизационный счетчик, который на каждую частицу, попавшую в камеру, отзывается импульсом тока.
Проходя через тот или иной материал, радиоактивное излучение ослабляется. Это свойство используется, например, для измерения уровня горючего в баках летящей ракеты, для контроля толщины стенок труб, цистерн и других изделий. Испускаемые датчиком излучения проходят через материал и воспринимаются приемником (детектором) этих лучей. Он фиксирует ту или иную степень их интенсивности. Если толщина стенки станет больше, то излучение будет ослабляться сильнее и детектор немедленно покажет это изменение.
Семейство датчиков велико и многообразно. Мы рассказали лишь о некоторых из них. Но какого бы типа ни применялся датчик, его сигналы весьма маломощные. Поэтому в схеме почти любого автоматического устройства датчики работают совместо с усилителями. Остановимся на них более подробно.
УСИЛИТЕЛИ
Сигналы датчиков из-за своей малой мощности не способны привести в действие исполнительный орган устройства или машины, которые он «обслуживает». Многократное увеличение передаваемого сигнала осуществляется с помощью усилителя. Но для этого нужна энергия, и она берется от постороннего источника — электрической сети, гальванических элементов или аккумуляторных батарей. Электрическая энергия удобна тем, что ее относительно легко получать из других видов энергии, передавать на далекие расстояния, дробить или превращать в другие разновидности энергии: механическую {энергию сжатого воздуха, давления жидкости и т. д.), световую, тепловую и др.
Рассмотрим, как действует простейший гидравлический усилитель. Закон Паскаля гласит, что давление, производимое внешними силами на поверхность жидкости, передается одинаково по всем направлениям.
Зная этот закон, нетрудно уяснить работу гидравлического усилителя. Снабдив сообщающиеся сосуды-цилиндры разного диаметра поршнями и создавая давление на
25
Рис» 3. Электронный ламповый усилитель: а — однокаскадный; б — многокаскадный
поршень малого цилиндра, мы увидим, что поршень большого цилиндра станет подниматься, даже если» на него положить большой груз. Удивительного в этом ничего нет. Известно, что сила давления равна произведению давления на площадь (F = Р • S). Следовательно, в том цилиндре, у которого площадь поршня больше, усилие, поднимающее его, окажется тоже более значительным. Причем сила увеличится во столько раз, во сколько площадь большого поршня больше площади малого. Но, выигрывая в. силе, мы проигрываем в расстоянии. Поэтому значительное перемещение поршня малого диаметра приводит лишь к небольшому подъему поршня большого диаметра.
Наиболее чувствительны электронные усилители. Их можно встретить в любом телевизоре, радиоприемнике, магнитофоне. В течение нескольких десятилетий основным элементом электронных усилителей была радиолампа (рис. 3). В стеклянном баллоне, из которого выкачан воздух, смонтированы электроды лампы: катод,
26
анод, управляющая и другие сетки. Если, накалить катод, то из него начинают вылетать электроны, несущие отрицательный заряд. Их неудержимо влечет к аноду, имеющему положительный потенциал. На поток электронов в лампе можно воздействовать изменением потенциала управляющей сетки, расположенной между катодом и анодом, и вот эта особенность используется для усиления сигнала. Подавая на сетку слабый сигнал, получают большие изменения тока, протекающего через лампу. В анодной цепи лампы включена нагрузка /?н, с которой снимается усиленный сигнал и подается на сетку следующей лампы или в соответствующий исполнительный орган. В роли нагрузки может быть резистор, катушка-дроссель или, как это бывает при усилении радиосигнала, колебательный контур, состоящий из катушки индуктивности и конденсатора; разумеется, этот контур должен быть настроен на частоту усиливаемого сигнала. 
Как видно на примере бытовой радиоаппаратуры, в схемах автоматики чаще стали применяться усилители, собранные па полупроводниковых приборах — транзисторах. Крохотный кристаллик германия или кремния успешно заменил громоздкую, неэкономичную трехэлектродную лампу. Транзисторы благодаря своей надежности, малой массе и габаритам, малой величине потребляемой энергии стали неотъемлемыми элементами современных электронных устройств. Но и они сейчас стали испытывать конкуренцию со стороны новых, еще более удивительных приборов — интегральных схем. Их еще называют твердыми схемами. Представьте себе крохотную пластинку из полупроводникового материала (германий или кремний), от которой, словно усики, отходят тончайшие проводники. Эти проводники служат для подключения интегральной схемы.
«Мал золотник, да дорог», — гласит пословица. Так и интегральная схема. Созданный по сложным рецептам полупроводниковой технологии, этот кусочек вещества заменяет не только радиолампу или транзистор, но и резисторы, емкости, индуктивности, полупроводниковые диоды. Их роль выполняют крохотные зоны полупроводника, а электрические соединения между зонами осуществляются не привычными нам проводниками, а напылением проводящего вещества либо тончайшими «впечатанными» проводящими дорожками. Такая интегральная
27
схема равнозначна, например, целому усилителю, мультивибратору, электронному реле и т. д,
Интегральные схемы позволят в недалеком будущем поднять технику автоматики на новую высоту. Прежде всего они находят наиболее широкое применение в элек-. тронных вычислительных машинах (ЭВМ), в системах телемеханики и, конечно, в конкретных устройствах автоматики, например в системах автоматических телефонный станций.
В схемах автоматического регулирования распространены также э л о к т р о м а ш и н н ы е усилители. Их принцип действия прост: генератор постоянного тока вращается посторонним двигателем. Ввиду того что скорость вращения якоря генератора не меняется, его выходное напряжение будет зависеть только от тока возбуждения в обмотках магнитных полюсов. Этот ток может создаваться тем или иным датчиком, включенным в цепь возбуждения. Таким образом, в электромашинном усилителе изменение силы тока в обмотке возбуждения приводит к изменению напряжения, развиваемого генератором, при этом может изменяться не только величина, но и полярность этого напряжения. В качестве нагрузки электромашипного усилителя может быть двигатель постоянного тока с независимым возбуждением, приводящий в движение тот или иной агрегат или станок.
Более подробно нужно рассказать еще об одной группе усилителей, пожалуй, самых «молодых», но играющих всевозрастающую роль в современной автоматике и телемеханике и во многих других областях науки и техники. Речь, пойдет о кв антовых усилителях.
О новых приборах заговорили лет пятнадцать назад после того, как стало известно об их удивительных возможностях. Вот один из примеров. Более пятнадцати лет назад, 9 мая 1962 г. ученые направили на Луну интенсивные импульсы красного света. Они достигли лунной поверхности юго-восточнее цирка Альбатегинус и, отразившись, вернулись на Землю. Расстояние от Земли до Лупы и обратно, равное 800 тыс. км, каждый световой импульс преодолел меньше чем за 3 сек. На Земле отраженные импульсы были зарегистрированы чувствительным" прибором телескопической установки. Так впервые людям удалось осветить одно из небесных тел солнечной системы и довольно точно измерить расстояние от Земли до Луны.
28
Прибор, создавший мощный монохроматический луч, был назван учеными лазером. Слово это составлено из начальных букв английского определения принципа его работы: light amplification by stimulateemission of radiation, т. e. «усиление света за счет создания вынужденного излучения».
Как же устроен и действует лазер? Представьте себе красноватый стержень из искусственного кристалла рубина диаметром 1...2 и длиной 10...30 см. Это сердце лазера, в нем рождается луч, удивительные свойства которого привлекли такое внимание. Вокруг стержня, словно змея, обвивается стеклянная спираль лампы накачки. Внутри спирали в ее концах смонтированы электроды, они присоединены к мощной батарее конденсаторов. Если ее зарядить до нескольких тысяч вольт и затем разрядить через спиральную лампу, то между электродами вспыхнет разряд и ксенон, заполняющий лампу, превратится в плазму. Спиральная лампа, вспыхнув, своим светом облучит рубиновый стержень. В недрах рубина, подвергнувшегося атаке световых волн, происходит сложный физический процесс. Рубин — это окись алюминия с примесью хрома. Атомы хрома поглощают часть лучей, испущенных лампой накачки, и переходят в так называемое возбужденное состояние.
Хорошо известно, что свет излучается в виде отдельных порций — квантов или фотонов. Установлено также, что если фотон налетит на обыкновенный, или, как говорят, нормальный, атом, то фотон может исчезнуть, он окажется «проглоченным» атомом. Но исчезновение фотона, обладающего энергией, для атома не проходит бесследно: часть его электронов, вращающихся вокруг ядра, оказывается отброшенной со своих привычных орбит на более далекие орбиты. Такое состояние атома и называется возбужденным. Оно очень неустойчиво. Как поднятый на гору камень стремится упасть вниз, так и возбужденный атом старается избавиться от полученной при возбуждении энергии, стремится вернуться к устойчивому состоянию. Став нормальным, атом испускает фотон, как две капли воды похожий на тот, который он только что поглотил. Возвращение атомов к устойчивому состоянию может происходить не только самопроизвольно, беспорядочно, но возможен и другой вид перехода — так называемое вынужденное излучение. Оно состоит в
29
следующем: если мимо возбужденного атома пролетает фотон, то он может заставить, вынудить атом «выстрелить» своим фотоном. При этом возбужденный атом становится нормальным и появляется, кроме фотона-налетчика, еще один фотон, испущенный атомом, притом точно такой же по частоте и длине волны.
Заглянем в микромир рубинового стержня. После вспышки лампы накачки большинство атомов хрома оказываются возбужденными. Достаточно какому-либо из этих атомов самопроизвольно испустить фотон, как в стержне возникает фотонная лавина: пролетая мимо возбужденного атома хрома, этот фотон высветит его, вынудит испустить свой фотон, появившаяся пара фотонов присоединит к себе еще два и т. д. Лавины фотонов могут распространяться в разных направлениях, по для нас важна та лавина, которая движется строго вдоль оси стержня. Торцы стержня посеребрены, и, достигнув слоя серебра, лавина фотонов как от зеркала отражается к противоположному торцу. Так и мечется между двумя зеркалами луч света, непрерывно наращивая свою мощь.
На одном цз торцов стержня слой серебра не такой плотный и он оказывается для света полупрозрачным. Через него и вырывается луч лазера.
Физический процесс, происходящий в недрах рубинового стержня, О/Писан здесь лишь в общих чертах, в действительности он значительно сложнее. Важная особенность этого процесса состоит в том, что он совершается в миллионные доли секунды. Заставив атомы хрома в рубине дружно, почти одновременно выбрасывать фотоны, ученые получили источник света необыкновенной мощности. Сейчас рубиновые лазеры мощностью в миллионы и даже миллиарды ватт не являются редкостью. Такая колоссальная мощность при небольшой энергии излучения достигнута, за счет очень короткого времени излучения.
~ После создания лазеров на кристалле рубина ученые стали искать другие материалы для получения вынужденного излучения. Таких материалов оказалось немало. Особое место среди них занимают полупроводники. В. отличие от рубинового лазера КПД полупроводниковых лазеров очень высок.	।
Мы не случайно подробнее остановились на принципе действия лазера, этого подлинного детища XX в. Разви
30
тие лазерной техники открывает новые перспективы применения этих замечательных приборов. Здесь и воздействие лучом лазера на ход химических реакций, и получение высокотемпературной плазмы в термоядерных реакторах, и стерилизация хирургического инструмента, и использование луча лазера в качестве тончайшего скальпеля при хирургических операциях. Но особенно ценны эти новые приборы для нужд различных областей техники. С их «участием» созданы и создаются многие и удивительные устройства и машины, в том числе и полностью автоматизированные. Но не мепее важно использование лазеров в создании новых технологических процессов для получения самой разнообразной продукции. При этом — мы снова подчеркиваем это — применение лазеров позволяет достичь высокой степени автоматизации технологических процессов. Об этом подробнее будет рассказано позже, но здесь обратим ваше внимание на то, что все новое, будь то интегральные схемы или лазеры, немедленно находит применение в автоматике, достижения которой характеризуют уровень и размах технического Прогресса наших дней.
РЕЛЕ
Впервые это слово наделили тем смыслом, в каком оно употребляется сейчас, создатели электрического телеграфа в середине прошлого века. А до этого им пользовались путешественники, курьеры, почтари, доставляющие корреспонденцию в самые отдаленные места. Когда почтовый дилижанс подкатывал к станции, усталых лошадей заменяли свежими, и эта замена во Франции называлась «реле».
При создании телеграфа обнаружилось, что, чем больше расстояние между передающей и приемной станциями, тем слабее оказывались электрические сигналы и аппаратура переставала работать. Пришлось усложнить телеграфную линию. Для этого ее разбивали на отдельные участки и в конце каждого участка устанавливали электромагнит с подвижным якорем и контактами. Слабый сигнал, пришедший издалека, проходил по обмотке электромагнита, якорь притягивался к его сердечнику й замыкая с помощью контактов электрическую цепь, питаемую от местной батареи. И уже этот ток, гораздо более
31
сильный, чем пришедший, направлялся в следующий участок линии — сигнал как бы восстанавливал свою мощь. Новый прибор получил название реле.
Реле — непременный и очень важный элемент современной автоматики, предназначенный при поступлении па его вход сигнала включать вспомогательную энергию местного источника, необходимую для работы какого-либо исполнительного механизма. В сущности, реле — это разновидность усилителя, но если усилитель плавно изменяет свою мощность, «следя» за величиной сигнала на входе, то реле делает это скачком, путем переключения. Поэтому иногда реле называют дискретным (прерывающим) усилителем. В устройствах автоматики реле выполняют функции усиления сигналов, переключения электрических цепей, подключения различных исполнительных механизмов и т. д.
На исполнительный механизм реле может воздействовать по-разному. Наиболее просто это происходит в механических реле. Предположим, есть трубопровод с жидкостью, давление которой не должно превышать определенной величины. К нему «пристроена» камера с поршнем, удерживаемым пружиной. При нормальном^ давлении поршень и соединенный с ним шток неподвижны, но стоит ему возрасти, пружина оказывается ио в состоянии удерживать поршень, он начинает пере.мещаться, и шток переключает клапаны. Иногда подобное непосредственное воздействие на исполнительный механизм может быть возложено на мембрану, деформирующуюся при изменениях давления, например, газа> или па поплавок, перемещающийся при изменениях уровня жидкости, или па какое-либо тело, которое своим весом воздействует на контакты и замыкает их.
Наибольшее распространение получили электрические реле. Об электромагнитных выше уже упоминалось. Добавим, что в автоматике применяется огромное количество всевозможных электромагнитных реле, отличающихся не только чувствительностью, временем срабатывания, по и количеством замыкаемых и размыкаемых цепей, габаритами, массой и т. д.
На одной из характеристик реле — чувствительности — остановимся подробнее. Чувствительность характеризуется минимальным уровнем сигнала па входе реле, необходимым для его срабатывания. Она зависит от
32
электрической мощности, расходуемой в обмотке реле, при которой происходит его срабатывание. Чем меньше эта мощность, т. е. чем слабее сигнал, нужный для того, чтобы реле срабатывало, тем оно чувствительнее. Чувствительность современных электромагнитных реле составляет тысячные и сотые доли ватта, а время срабатывания так называемых безынерционных реле — тысячные доли секунды, быстродействующих не более 0,04 с, и обыкновенных — от 0,05 до 0,15 с.
Из большого числа конструкций электромагнитных реле наибольшей чувствительностью (тысячные доли ватта) обладают поляризованные реле. Такое название они получили потому, что реагируют как на величину сигнала, так и на его полярность.
Еще выше чувствительность у магнитоэлектрических и электростатических реле. Они действуют по тому же принципу,, что и электроизмерительные приборы названных систем. Только у них к рамке крепится не легкая стрелка, показывающая на шкале величину измеряемого тока или напряжения, а рычаг-выключатель (рис. 4).
2 Заказ 392®
33
Особенно широкое применение в автоматических устройствах,,. используемых в промышленности, вычислительной технике, на транспорте и т. д.., нашли электронные реле. Они компактны, потребляют мало энергии, имеют, очень высокую чувствительность и практически безынерционны. Для срабатывания электронного реле достаточен ток в миллионные доли ампера.
Достоинством электронных реле является также и то, что они без особых трудностей позволяют включать и выключать тот или иной прибор, цепь, линию на необходимое время. Иными словами, они легко превращаются в реле времени. Выдержка, которую они обеспечивают, может составлять от миллионных долей секунды до десятков секунд. Большое распространение, особенно в вычислительной технике, получили бесконтактные электронные реле — триггеры. В переводе на русский язык «триггер» означает «спусковой крючок».
В этом устройстве переход из одного устойчивого положения в другое (включение — выключение) осуществляется чисто электронными методами. При подаче положительного импульса, например, в цепь сетки одной из двух радиоламп триггера происходит «опрокидывание» последнего: запертая лампа отпирается, а вторая, через которую до этого протекал ток, запирается. Скачкообразное изменение тока в анодных цепях ламп можно использовать для включения или выключения исполнительных механизмов.
Триггеры могут быть построены не только на электронных лампах, но и на транзисторах, туннельных диодах, лампах тлеющего разряда. Имеются триггеры, которые обладают не двумя, а большим числом устойчивых состояний. Наиболее широко триггеры применяются в различных коммутирующих и управляющих узлах устройств автоматики, в приборах счета импульсов, в запоминающих блоках ЭВМ и т. д.
Выше отмечалось, что электронные реле обладают очень высокой чувствительностью, способностью «отзываться» на самые незначительные изменения электрического сигнала. Это позволяет успешно использовать их в сочетании с такими датчиками, которые при своей , работе создают слабые электрические токи, например фотоэлементами, термисторами. Реле с этими датчиками носят название соответственно фотореле и теплового реле^
34
Роль датчика в фотореле играет фоторезистор, фотодиод илй фототранзистор. Работа их основана на использовании зависимости сопротивления полупроводника от степени освещенности его поверхности. При увеличении освещенности концентрация свободных носителей электрического заряда в кристалле полупроводника растет, а его сопротивление уменьшается.
Тепловые реле реагируют на изменение окружающей температуры. В качестве датчика в них используются полупроводниковые терморезисторы, или термисторы. При росте температуры сопротивление термистора резко падает, ток в его цепи возрастает и реле срабатывает. Термисторы изготовляются из определенного сочетания окис-лов титана, магния, железа, марганца, кобальта, меди, никеля и других элементов. Тепловые реле широко применяются в целом ряде технологических процессов, а также в сигнальных противопожарных устройствах.
Мы рассмотрели лишь основные типы датчиков, усилителей и роле, применяющихся в автоматике и являющихся теми «кирпичиками», па базе которых Создаются современные автоматические устройства. В зависимости от поставленной задачи в них используются те элементы автоматики или их сочетания, которые обеспечивают наибольшую точность и надежность работы устройства, простоту обслуживания и, конечно, позволяют получить наибольший экономический эффект.
Рассказать в одной книжке о всех конкретных автоматах, применяющихся в современной промышленности, на транспорте и т. д., конечно, невозможно. Да мы и не ставим такой цели. На наш взгляд, важнее показать основные «профессии» автоматов по характеру выполняемой ими работы. И если осуществить такой подход, то великое множество созданных человеком автоматических устройств можно разделить на четыре основные группы: наиболее простыми по выполняемым обязанностям и появившимися раньше других являются автоматические устройства контроля, ко второй группе относятся автоматические устройства защиты, к третьей — устройства автоматического регулирования и к четвертой — устройства и системы автоматического управления.
Познакомимся подробнее с каждой из этих групп со-временных автоматов.
2*	35
Глава 2.
АВТОМАТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ -ПЕРВАЯ «ПРОФЕССИЯ» АВТОМАТОВ
ПАССИВНЫЙ И АКТИВНЫЙ КОНТРОЛЬ
Ц*то быстрее: изготовить болт или убедиться в его до-^брокачественности, в соответствии чертежу? Нё спешите с ответом, ибо вы рискуете ошибиться. Современный станок-автомат на изготовление-одного крепежного болта тратит не более 1...2 с. А если контроль болта осуществлять при помощи резьбовых колец вручную, то на это уходит полминуты. Получается несуразица: за станком наблюдает всего один рабочий-наладчик/ а для контроля продукции станка требуется добрый десяток человек. Да, это так, если на помощь для контроля массовой продукции не призывается автоматика.
Автоматический ко нт роль — это первая ступень автоматизации любого процесса. Суть его состоит, в сравнении, например, размеров изготовляемой детали с заданным их значением. К контрольным операциям относятся также систематический учет вырабатываемой продукции, расходуемой энергии; наблюдение за температурой, скоростью вращения, напряжением, частотой и другими величинами, характеризующими ход технологического процесса; проверка запасов сырья, комплектующих изделий и т. д.	?	5
В связи с тем что с каждым годом все более возрастают требования к точности, качеству1 обработки и сборки деталей, узлов и комплексов машин, при одновременном усложнении технологических процессов, все острее выдвигаются задачи высвобождения человека от функций, контроля. Их всё чаще и чаще начинают выполнять средства автоматического контроля.
36
Итак, автоматический контроль — это большая и важная область автоматизации производства, охватывающая средства и методы, освобождающие человека от наблюдения за производственным процессом, состоянием различных устройств, механизмов и систем или облегчающие эту работу. Перечислим основные функции, выполняемые приборами автоматического контроля. Это прежде всего количественная оценка физико-химических свойств твердых тел, жидкостей и газов: их температуры, давления, плотности, влажности, прочности, вязкости, электропроводности, частоты колебаний и т; п. Средствами автоматического контроля можно также определять размеры деталей в процессе и после обработки, степень шероховатости поверхности, качество нанесения металлических и неметаллических покрытий, наличие посторонних примесей, нежелательных изменений в структуре изделий; В точном машиностроении важным является автоматический контроль качества сборных и других работ, позволяющий вовремя обнаружить брак и предотвратить излишние затраты материалов и энергии. Особый интерес представляет автоматизация учета штучных изделий и их массы, объема жидкостей и газов, т. е. учет результатов производства. При этом автоматы могут выполнять сортировку изделий, отделять годные изделия от негодных.
Но контроль, даже если его осуществляет автомат, может производиться по-разному. Предположим, деталь полностью готова и контролирующее устройство лишь отделяет годные детали от негодных. Это пассивный контроль. Выполняя его, автомат-контролер не вмешивается в производственный процесс.
Более совершенен контроль активный, когда по результатам измерений автомат-контролер производит подналадку машины, корректирует ход технологического процесса и может дажё остановить станок в случае, например, поломки инструмента. Иногда контролирующие автоматы при нарушении технологического процесса, при опасных перегрузках подают звуковой или световой сигнал. Активный контроль позволяет до минимума уменьшить возможность брака. Это подтверждается, например, опытом Первого государственного подшипникового завода в Мдскве2 где работает около 800 систем активного контроля.
Устройство и «обязанности» автоматов контроля весьма
37
разнообразны. Наибольшее распространение получили электрические контролеры, которые отличаются быстродействием, малыми размерами и массой, позволяют передавать результаты контроля на большие расстояния.
Рассмотрим, например, как контролируется скорость движения газа по трубам химического завода. В трубе закреплен датчик — тонкая платиновая проволочка длиной в несколько сантиметров. Она нагревается протекающим по ней электрическим током до 100...400 °C. Сопротивление металлического проводника, как известно, при понижении температуры падает. Чем быстрее мимо проволочки движется газовый поток, тем сильнее она охлаждается, тем, следовательно, меньше ее сопротивление и больше ток в цепи. Изменения этого тока вызывают срабатывание реле, которое приводит в действие механизм, уменьшающий или увеличивающий поступление газа. Таким образом, автомат-контролер активно воздействует на количество подаваемого по трубам газа.
Следует отметить, что с появлением сложных устройств автоматического контроля не уменьшается использование простых, механических контролеров. Наоборот, их становится все больше и больше. Расскажем о двух из них.
В цехе, изготовляющем шарики для подшипников, стоит простой автомат, контролирующий их размеры. Из бункера шарики один за другим катятся по желобу без дна, причем борта желоба не параллельны друг другу, а представляют собой две расходящиеся в виде клина плоскости. В том месте, где ширина шарика точно равна ширине желоба, шарики проваливаются вниз и падают в отсеки приемника. Самые малые шарики падают в начале желоба, наиболее крупные — в конце его. Шарики одинакового размера попадают в один бункер. За час такая простая установка может рассортировать несколько тысяч шариков.
Довольно просто и вполне надежно контролируются монеты автоматическими продавцами, с которыми мы встречаемся все- чаще. Размеры входной щели автоматов точно равны размеру нужной монеты, но в нее могут пройти и монеты меньшего диаметра. Автомат тут же отделит их от Требуемых. Осуществляется это так. Монета, после того как ее опустят в автомат, катится по наклонной плоскости с продольной щелью, ширина которой чуть-чуть меньше толщины требуемой монеты. В нее-то, в эту щель, и
38.
проваливаются все более тонкие монеты. Дальше монета движется вдоль своеобразных перил, высота которых равна диаметру требуемой монеты. Все монеты меньшего размера не будут касаться перил и свалятся в сторону.
На этом испытания монеты не заканчиваются. Ведь в автомат может быть опущен диск, размеры которого совпадают с нужной монетой. Если этот диск железный, то с дороги его уберет особый электромагнит (монеты, как известно, не притягиваются магнитом). Если же диск сделан из свинца, меди или латуни, то, проскочив магнит, он натыкается на гладко отполированный стальной цилиндрик. За цилиндриком — «иропасть». Ее могут перепрыгнуть и попасть затем в отведенное место только настоящие монеты, обладающие необходимой упругостью. Диски из другого материала не в состоянии сделать этого и проваливаются вниз. Существует немало других конструкций автоматических «продавцов», которые безошибочно контролируют опускаемые в них монеты.
Выбор системы того иди иного контрольного автомата, его конструкция определяются многими факторами: скоростью технологического процесса, точностью контроля, простотой схемы, стоимостью автомата.
Интересно, например, применение изотопов для нужд автоматического контроля.
...Перед нами большая сложная машина. Она прокатывает металл, изготовляет из него полосу толщиной в несколько миллиметров. Лента быстро проносится между валками. Раньше, чтобы измерить ленту, приходилось периодически останавливать прокатный стан и проверять ее толщину. Теперь все измерения производятся автоматически, с помощью радиоактивных изотопов. С одной стороны ленты прикреплен излучатель, с другой — счетчик. Пока толщина проката постоянна, приборы бездействуют. Но вот толщина отклонилась от нормы. Поток радиоактивного излучения, попадающий в счетчик, изменяется, и чуткий прибор тотчас передаст соответствующий сигнал машине. Автомат изменяет расстояние между валками, и снова идет прокатываемая лента нормальной толщины. С помощью такой аппаратуры выпуск стальной ленты удалось увеличить почти в 3 раза!
...Вот по конвейеру несутся пачки печенья. Машина так молниеносно фасует их, что человеческий глаз с трудом
39
слеДи1г за ними. А ведь продукцию надо Считать. И опять На помощь приходят радиоактивные изотопы.
По одну сторону конвейера ставят излучатель, а по другую — счетчик. Печенье поглощает часть лучей, ' и прибор сразу же отмечает это. Но он не просто считает изделия, он активно вмешивается в работу конвейера. Стоит только4 замедлить Темп — немедленно соответствующий сигнал пойдет на движущийся механизм, и 'скорость движения увеличится.
СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ
Приведенные выше примеры показывают, что обязанности автоматических контролеров могут быть самыми разнообразными. И все же если посмотреть, какое назначение они выполняют, то их можно подразделить на две группы: в первую войдут системы автоматического контроля, во вторую — системы автоматической сигнализации.	L
; Сразу оговоримся: вторая группа — с и с т е м ы автоматической сигнализаций— тоже относится к устройствам автоматического контроля; но выделена в особую группу в связи со специфичностью выполняемых задач. В современном производстве, в энергосистемах, на речном, морском и железнодорожном транспорте, в авиации и т. д. возникает, и довольно часто, необходимость Известить обслуживающий персонал о ходе технологического процесса, достижении максимальных (или минимальных) давлений, температур;'скоростей, наконец о возникновении опасных, аварийных режимов работы объектов и машин и необходимости принять неотложные мёры. Вследствие сложности, быстротечности технологического процесса человек физически не в состояний быстро определить возникновение той или иной критической ситуации и поэтому приходится создавать автоматические устройства оповещения, т. е. автоматическую сигнализацию.	;
Устройство автоматической сигнализации состоит из тех же основных частей, что и устройство автоматического контроля: измерительного устройства или датчика, уси-лйтельно-прёобразующего устройства и исполнительного элемента. В зависимости от назначения сигнала, от степени опасности, о которой он должен известите, автомат
40
может создавать непрерывный или прерывистый сигнал^>1. При наступлении наиболее опасных, ; недопустимых режимов, как правило, применяются прерывистые сигналы сирен, звонков, ярких вспышек ламп, привлекающие внимание обслуживающего персонала. Выбор сигнала, оказывающего световое или акустическое воздействие на человека, зависит от той задачи, которую должны выполнять приборы автоматической сигнализации.
Так, контрольная сигнализация предназначена для извещения об остановке или начале работы отдельных механизмов и устройств, о положении органов управления, об изменениях, которые происходят в технологическом процессе. Чаще всего в качестве контрольных сигналов используются лампы зеленого, синего или лундо-белого цвета, а также блинкерные реле, при срабатывании которых, выпадает сигнальный флажок-пластинка. Они не отвлекают человека от текущей работы, обеспечивая его нужной информацией.
Более важные задачи стоят перед предупредительной сигнализацией. Она извещает о возникновении опасных изменений режима работы машин или систем, о наступлении таких процессов, которые в дальнейшем могут привести к тяжелым последствиям. Предположим, поездная бригада не заметила запрещающий сигнал, и локомотив, продолжает двигаться дальше. Резкий свет или звук сирены автоматического сигнализатора напомнит об оплошности и заставит принять соответствующие меры. Если это не будет сделано, то сработают автоматы и поезд автоматически остановится. Предупредительные сигналы должны восприниматься немедленно — независимо от условий освещенности или производственного шума. Чаще всего они подаются сигналами красного цвета, звонками, свистками, сиренами.
Наконец, .аварийная сигнализация оповещает о самопроизвольной остановке машины, опасности, возникновения пожара или взрыва, о приближающейся аварии или катастрофе. Прерывистые звуки сирены, яркие вспышки света; (часто и то и другое вместе) обязывают к немедленным действиям, привлекают всеобщее внимание. Они должны восприниматься лишь в одном смысле: принимай срочные меры, промедление смерти подобно!
Выбор того или иного сигнала производится с учетом особенностей, зрения и слуха. человека2 а также той
41
роли, которую эти автоматические сигналы призваны сыграть.
Возьмем для примера светофорную сигнализацию на железнодорожном и автомобильном транспорте. Наблюдения показали, что если с большого расстояния приближаться к световому сигналу, то человек вначале видит не цветной сигнал, а белый. И лишь на определенной дистанции он начинает различать цвета. При этом важную роль играет не только минимальное значение освещенности, воспринимаемой глазом, но и цвет фона, на котором виден данный сигнал. Было' установлено, что лишь красный сигнал сразу воспринимается наблюдателем в виде своего цвета. Он лучше других виден сквозь дым, пыль, туман и т. д. По этой причине все запрещающие сигналы делают красными.
Но нужны сигналы и других цветов. Они должны уверенно отличаться как от красного, так и друг от друга. По чувствительности к сигналам различных цветов глаз человека после красного лучше всего «отмечает» синий, затем зеленый и желтый цвет и менее чувствителен к луннобелому цвету. Необходимость хорошей различимости сигналов заставила специалистов выбрать в качестве основных сигнальных цветов красный, желтый и зеленый. При этом, как уже отмечалось, аварийные и предупредительные сигналы, запрещающие дальнейшую работу машин или. предупреждающие о приближении критических температур, давлений, скоростей, имеют красный цвет.
В системах трехцветной сигнализации на улицах городов и на железных дорогах применяется также зеленый и желтый цвет. То, что не нашел применения синий цвет, хорошо воспринимаемый человеком, объясняется лишь техническими трудностями: синие светофильтры имеют очень низкий коэффициент пропускания и для обеспечения нужной яркости синего сигнала требуется значительное увеличение мощности источника света.
/ Наконец, для вспомогательной контрольновГсигнали-1ации применяется лунно-белый цвет, имеющий цаимень-|пую частоту и хуже всего различаемый глазом.
v Наряду со световой, как уже отмечалось, применяется |Ц звуковая сигнализация. Это сирены, звонки, свистки, |?удки, зуммер, или подача в телефоны оператора звукового сигнала определенной тональности. При разработке звуковых сигналов исходят из того, что они, во-первых2
42
всегда должны быть слышнее' производственных или дру-^ гих посторонних шумов, а во-вторых, не вызывать усталости й не травмировать органы слуха.
Самые простые сигнальные устройства — устройства, подающие сигналы лишь о двух состояниях контролируемого объекта: включено — выключено, открыто — закрыто, машина работает — машина стоит и т. д. Это относится и к сигнализации о критических значениях контролируемых величин. Но совокупность нескольких простейших сигнализаторов позволяет сделать так называемое указывающее устройство. Приведем пример.
В метро вам, вероятно, приходилось видетй часы-секундомер, установленные перед входом в тоннель. Как только поезд отходит от станции, начинается автоматический отсчет времени между поездами. На циферблате секундомера одна за другой подсвечиваются цифры. А когда проходит 1 мин, все лампочки подсвета цифр гаснут, а в центре циферблата загорается цифра 7, сигнализируя, что прошла 1 мин. Затем все повторяется и загорается цифра 2 и т. д.
Сигнализаторы подобного (простого) типа позволяют также осуществить автоматический контроль многих параметров. Специалисты такой вид контроля называют множественным.
Перед диспетчером железнодорожной станции висит щит — мнемоническая схема участка железной дороги (рис. 5, а). Она связана с автоматическими устройствами, обеспечивающими движение поезда. На схеме обозначены все входные и выходные светофоры, стрелки, железнодорожные пути, прилегающие к станции. Достаточно одного взгляда на схему, и по тому, какого цвета и какие лампочки горят, легко определить, какие пути заняты, в каком положении находятся стрелки, каковы входные й выходные сигналы.
Множественный контроль используется и для наблюдения за ходом обработки тех или иных деталей. Предположим, обработке на станке подвергается вал. Перед станочником находится панель, на которой изображен разрез обрабатываемого вала (рис. 5, б). Под рисунком размещены два ряда электрических лампочек, от которых Идут линии к тем местам вала, которые в процессе обработки контролируются. Каждой контролируемой величине соответствуют две лампочки —. верхняя и нижняя. Если в
43
Рис, 5. Сигнальные исполнительные элементы:
а щит сигнализации с мнемонической схемой участка железной дороги;
бпанель , множественного контроля с изображением вала, контролируемого!
Л '	в процессе обработки
процессе обработки размер имеет отклонение от заданного допуска в положительную сторону (например, диаметр чуть-чуть больше заданного по чертежу)^ тр. загорается верхняя лампочка. При отклонении в отрицательную, сторону — нижняя. Трудоемкий контроль с помощью ручного инструмента здесь заменен, автоматическим, прц^ чем одновременно контролируется большое количество размеров.
Иногда возникает необходимость в автоматической, регистрации контролируемых величин. Имея перед робой графики иди записанные через определенные, интервалы группы цифр, букв или фотографий, специалист может судить о том, как протекал тот или иной технологический процесс, какие и когда происходили отклонения, сбои.
Простейшим регистрирующим устройством является самописец (рис. 6, а)г который производит запись на бумажную ленту с нанесенной на нее масштабной сеткой. Лента эта. надевается на барабан /, вращаемый небольшим двигателем 2 или часовым механизмом. Рядом с
44
Рис, 6. Регистрирующие исполнительные элементы:
а — самописец; б — регистрация показаний прибора путем фотографирования шкалы
барабаном размещается электроизмерительный прибор, стрелка которого заканчивается пером 3. Под действием изменений контролируемой величины стрелка отклоняется и на бумаге вычерчивается кривая — график.
^Иногда для получения последовательных значений контролируемой величины прибегают к фотографированию шкалы прибора (рис. 6, б). А в системах множественного контроля фотографируют сразу несколько приборов. Если в системе автоматического контроля используются электронные'осциллографы, то регистрацию кривых быстро и просто осуществляют путем фотографирования экрана с помощью фотоаппарата или контактным способом. Во втором случае фотобумагу или пленку плотно прижимают к экрану осциллографа, и электронный луч, перемещаясь, оставляет на фотобумаге след.
Системы автоматического контроля, так же как й сй-стейьг сигнализации, по характеру действия могут быть недистанционными, дистанционными и телеметрическими. Рассмотрим подробно каждый из указанных видов контроля.	1
НЕДИСТАНЦИОННЫЙ КОНТРОЛЬ
- Если измерительный и исполнительный элементы, находятся в одном месте и сигналы измерительного элемента достаточны по величине, чтобы привести в действие исполнительный элемент, то система автоматического
45
контроля оказывается очень простой и, как правило, надежной. В этой недистанционной системе отсутствует линия связи. Примерами подобных устройств Могут служить недистанционный механический манометр, тахометр, механический автомат для сортировки деталей, биметаллический термометр, электронные автоматы для контроля размеров перемещающихся деталей, фотоэлектронные устройства для этих же целей и др.
Остановимся на системах автоматического контроля, в которых используются средства телевидения в сочетании с быстродействующими вычислительными устройствами.
Представьте себе экран кинескопа 4 (рис. 7), к которому вплотную приставлена прозрачная пластинка 5 с двумя горизонтальными линиями. Эти линии непрозрачны, их высота соответствует допуску обработки, иными словами, проекция детали на экран не должна быть выше верхней линии или ниже нижней. Перед экраном расположена система линз 6, фокусирующая лучи света, исходя-
1	2 J 4	5 б 7	8
Рис. 7. Схема автоматической телевизионной системы контроля:
1 — электронный прожектор; 2 — управляющая сетка; 3 — отклоняющие катушки; 4 —кинескоп; 5 — прозрачная пластинка с линиями допуска размеров детали; 6 -гг- система фокусирующих линз; 7—контролируемая деталь; 8 — фото-9 — формирователь импульсов; /0 — электронный счетчик; 11, 12 —.
тиратроны
46
щие 0т экрана; и нанравлякн щая эти лучи в фотоэлеме нт S. Контролируемая деталь 7 располагается между фотоэлементом и фокусирующим устройством. В кинескопе
Рис» 8. Изображение контура детали на экране:
а — деталь по размеру больше нормы; б — размер детали в пределах допуска; в — деталь по размеру меньше нормы
формируется электронный луч, который создает на
экране светящуюся точку, и эта точка перемещается по экрану, засвечивая поочередно все его участки. Неч-
то подобное происходит в знакомом вам телевизоре, в кото-
ром электронный луч, прочерчивая одну линию за другой, создает на экране светящийся прямоугольник-растр. Но в данной системе выбраны другие частоты перемещения электронного луча: по вертикали — 50 Гц, по горизонтали — 1 Гц.
Если размер детали выдержан и она по своей высоте
целиком «вписывается» в промежуток между двумя линиями (рис. 8, б), то при вертикальном перемещении луча свет, попадаемый в фотоэлемент, будет прерываться дважды: один раз при пересечении верхней линии и второй — при * пересечении контура самой детали. Фотоэлемент подключен к электронному счетчику импульсов 9 (см. рис. 7), который эти сигналы (по два импульса каждый) отметит и подаст свой сигнал: деталь годна.
Но может оказаться, что контролируемая деталь «выше ростом», т. е. выше верхней линии (рис. 8, а). В этом случае от фотоэлемента в счетчик будут поступать лишь одиночные импульсы. И наоборот, деталь меньшего, чем положено, размера (рис. 8, в) вызовет появление сигналов из трех импульсов каждый: один — при пересечении верхней линии, второй — нижней и третий — при пересечении самой детали. В обоих этих случаях телевизионный контролер подаст сигнал «брак», сработают реле и после воздействия на соответствующие заслонки негодные детали будут отделены от годных.
Широкое распространение в системах автоматического контроля получили ультразвуковые методы, позволяющие обнаруживать скрытые дефекты в различных материалах
и готовых изделиях.
Если частота упругих колебаний или волн превышает
47
Начальный
импульс	импульс
; а	о
Рис. 9. Принцип действия импульсного ультразвукового эходе-фектоскопа:
а — получение эха от дефекта — раковины внутри детали (/ — пьезоэлектрический излучатель; 2—приемный пьезоэлектрический • искатель; 3 — контролируемое изделие; 4 ~~ осциллограф); б — изображение импульсов на экране осциллографа при. отсутствии дефектов; в — то же при наличии Дефекта
46 кГц, то такие колебания называют ультразвуковыми. Они хорошо распространяются в металлах, в воде и, что очень важно, способны отражаться от границы раздела двух сред. Предположим, в изделии имеется трещина или вйутренйяя полость — раковина. Пропуская через деталь короткие ультразвуковые импульсы и подавая отраженные импульсы на осциллограф, легко обнаружить в детали скрытые дефекты.	S
Ультразвуковой эходефектоскоп (рис. 9, а) — так называется этот прибор — состоит из импульсного электронного генератора, соединенного с пьезоэлектрическим излучателем 7, преобразующим электрические колебания высокой частоты в ультразвуковые колебания. Излучатель накладывается на исследуемую деталь 3 и «пронизывает» ее узким пучком ультразвуковых волн. Рядом располагается пьезоэлектрический искатель 2. Он принимает отраженные ультразвуковые импульсы, преобразуя их в электрические сигналы, которые после, усиления подаются на осциллограф 4. Излучатель и искатель перемещают по детали и находят дефекты.
Если этих дефектов нет, то на экране осциллографа будут видны лишь два импульса (рис. 9, б) начальный
\ 48
и отраженны^ от противоположной поверхности детали (его называют донным им- , пульсом). Но если внутри детали имеется трещина или другой дефект, то на экране между двумя указанными выше импульсами появится третий — отраженный от этой трещины (рис. 9, в).
Более совершенна конструкция эходефектоскопа с так называемой ультразвуковой головкой. В ней пьезоэлек-. трические преобразователи вначале посылают импульсы (режим излучения), а затем они же переключаются на прием отраженных импульсов. Конечно, это переключение осуществляется автоматически с большой быстротой, подобно тому как в радиолокаторе антенна переключается с передачи на прием.
Среди устройств автоматической сигнализации также имеются недистанционные системы. Для примера приведем механические сигнализаторы положения шасси самолета (рис. 10). Они располагаются над колесами на плоскости самолета и представляют собой штыри 1 и 2, окрашенные в ярко-красный
Рис. 10. Автоматическая сигнализация положения шасси самолета:
I и 2 — механические сигнализаторы
Рис. 11. Принципиальная схема недистанционной сигнализации давлений:
1 — измерительный элемент; 2 — исполнительный элемент (сирена)
цвет; Если шасси убрано,
то штыри «утоплены» внутрь плоскости самолета, если летчик выпустил шасси, то штыри выступают над плоскостью ц хорошо видны летчику из кабины.
Второй пример — сигнализатор критического -давления газа, внутри какой-либо емкости (рис. 11). Он представляет собой трубку 7, соединенную с данной .емкостью,
г 49
вход в которую закрыт шариком, удерживаемым пружиной. При превышении давления сверх нормы пружина оказывается не в состоянии преодолеть давление газа, сжимается и газ начинает выходить чёрез трубку, приводя в действие свисток или сирену 2,
ДИСТАНЦИОННЫЕ УСТРОЙСТВА КОНТРОЛЯ
Простота и надежность недистанционных систем контроля и сигнализации обеспечили им широкое распространение. Но в ряде случаев требуется осуществлять контроль на расстоянии, и это привело к созданию дистанционных автоматических контрольных устройств. В них исполнительные элементы удалены от контролируемых объектов, причем это удаление, как правило, не превышает 1 км.
Предположим, требуется измерять температуру внутри химического реактора. Внутрь его помещается баллон 7, заполненный жидкостью и соединенный длинной капиллярной трубкой 2 с манометрической коробкой 3 (рис. 12, а). Манометр, как известно, является прибором для измерения давлений. Но с его помощью можно определять и температуру. Если температура внутри химического реактора возрастает, то нагревается и жидкость в баллоне. Она стремится расшириться, следовательно, давление жидкости возрастает. Это изменение давления тотчас отметит манометр. Если шкалу манометра 4 отградуировать не в единицах давления, а в градусах, то показания манометра будут непосредственно информировать о температуре внутри реактора. Нередко требуется фиксировать изменения температуры. В этом случае деформация манометрической коробки передается на стрелку самописца, перо которого вычерчивает кривую изменений температуры (рис. 12, б).
Все шире стали применяться и пневматические системы автоматического контроля температуры, давления, уровня и других параметров, относящихся в основном к теплоэнергетике. В этих системах на исполнительные элементы передаются импульсы давления воздуха, причем интенсивность этих импульсов зависит от контролируёмой величины. Исполнительные элементы могут быть удалены от измерительных на расстояние до 300 м.
50
Рис. 12. Дистанционный термометр:
а — измерение температуры стрелочным прибором; б — то же регистрирующим прибором; / — баллон с жидкостью; 2 — капиллярная трубка; 3— манометрическая коробка; 4 — шток; 5 — шкала; 6 — стрелка
Наиболее совершенны и надежны электрические системы дистанционного контроля. Они универсальны, безынерционны и позволяют передавать данные на значительные расстояния. Немаловажно и то, что значительно ускоряется проведение контрольных операций и появляется возможность применять в разных, контрольных системах однотипные исполнительные элементы.
Контролируемую величину в дистанционных электрических системах можно измерять двумя методами: прямым и компенсационным. Измерительный и исполнительный элементы в первом случае просто соединяются проводами. Рассмотрим, например, как прямым методом можно измерить температуру внутри какого-либо химического реактора. Терморезистор (рис. 13, а) помещается внутри этого реактора, от него идут два провода к трем другим, манганиновым резисторам, образующим вместе мост, в диагональ которого включен измерительный прибор. При изменениях температуры контролируемой среды
51
Рис, 13, Схема дистанционного термометра:
а — соединение измерительного элемента R^ со схемой двухпроводной линией связи; б — то же трехпро-водной линией, обеспечивающей бблывую точность измерения температуры
изменяется сопротивление терморезистора и стрелка прибора поворачивается на угол, пропорциональный изменению температуры. Более высокую точность измерения температуры можно получить, включив терморезистор по схеме, показанной на рисунке 13, б.
Если требуется еще более высокая точность измерения, применяют компенсационный метод. В этом случае используют так называемые автоматические равновесные измерительные схемы. Одна из разновидностей таких схем — измерительный мост (рис. 14), в плечах которого, кроме термистора 7?х, включен переменный; резистор 7?р с движком, перемещаемым крохотным реверсивным двигателем РД. В диагональ моста подключен источник питания, и при определенной величине * Ях мост будет уравновешен.-.-Напряжение между точками с и d в этом случае равно нулю. При нагреве или охлаж
дении термистора между точками с и d появится напряжение, пропорциональное изменению сопротивления Ях. Это напряжение разбаланса усиливается усилителем У и подается на управляющую обмотку двухфазного реверсивного двигателя. Двигатель начнет вращаться и переместит движок потенциометра 7?р. Это перемещение движка будет происходить до тех пор, пока моет сно-ва не окажется уравновешенным. Снабдив движок Потенциометра стрелкой, а сам потенциометр -шкалой, легко по положению движка определить, какой стала температура среды, в - которой находится термистор.
52
' В простых системах дистанционного контроля контролируема# величина преобразуется/ как былб показано выше, в электрический сигнал, который по проводам передается в исполнительный элемент. Естественно, длина этих проводов, изменение их параметров сказываются на показаниях исполнительного элемента. Погрешность такого контроля будет тем больше, чем протяженнее проводная линия. Вот почему дистанци- 1
Рис, 14. Упрощенная мостсУ-вая равновесная схема системы автоматического контроля высокой точности (РД — реверсивный двигатель; У — усилитель)
онные системы контроля применяются тогда, когда расстояние до контролируемого объекта не более 1 км. А какой выход приходится искать в случаях, когда объект контроля находится на большем расстоянии?	’
В таких случаях применяют более сложные устройства, в которых используются Средства телемеханики»
ТЕЛЕМЕХАНИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ
Под телемеханикой понимают область, науки и техники, занимающейся созданием устройств, с помощью которых можно контролировать на большом расстоянии работу машин и механизмов, управлять машинами-автоматами, а Также автоматически поддерживать связь между какими-либо объектами.
Забегая немного вперед, скажем, что сейчас средства телемеханики применяются не только для контроля технологических процессов, работы машин и механизмов, но и для управления работой электростанций, находящихся за тысячи километров от диспетчерского пункта, для слепой посадки самолетов на аэродром, при исследованиях верхних слоев атмосферы и глубин океана и особенно космоса.
Но вернемся к автоматическому телеконтролю. Отличительная, его особенность состоит в том, что в системах телеконтроля показания исполнительных элементов не зависят ни от изменений параметров линий связи,
53
ни от воздействия различных помех. А обеспечивается это тем, что контролируемые величины еще до передачи на расстояние обязательно преобразуются в такие сигналы, которые менее всего подвержены названным выше воздействиям. Как говорят специалисты, сигналам контроля придают характерные признаки, например определенную полярность, длительность, форму импульсов и т. д. Эти преобразованные сигналы могут передаваться как по проводным линиям связи, так и по радио.
Системы телекоптроля включают в себя измерительные элементы, кодирующие системы, каналы связи, декодирующие устройства и исполнительные элементы (рис. 15).
Об измерительных элементах подробно рассказывалось выше. Они служат для преобразования контролируемых величин в соответствующие значения напряжения или тока. Эти сигналы, поступая на вход кодирующего устройства, преобразуются затем в электрические сигналы с характерными признаками.
В современной технике применяется большое число схем для кодирования сигналов. Основными элементами кодирующих устройств являются генераторы импульсов, шифраторы, модуляторы и распределители (рис. 16).
Назначение генераторов импульсов — выработать периодические электрические сигналы определенной формы — либо синусоидальные, либо однополярные, в том
Рис. 15. Структурная схема системы радиотелеконтроля
Рис, 16. Структурная схема кодирующего устройства
S4
числе прямоугольные, необходимые для формирования сигнала в кодирующем устройстве.
Непосредственно с генератором связан шифратор — устройство, которое придает сигналам контроля, выработанным генератором, характерные признаки: определенную полярность, длительность, частоту и т. д.
Еще одним элементом кодирующего устройства является модулятор, который воздействует на созданные генератором сигналы. От характера этого воздействия зависит вид используемой системы телеконтроля. Так, в число-импульсных системах изменение контролируемой величины приводит к изменению числа импульсов, посылаемых кодирующим устройством в линию связи. В системах, получивших название время-импульсных, производится преобразование контролируемой величины в импульсы различной продолжительности. А в частотно-импульсных системах телеконтроля изменяется частота периодических изменений импульсов тока.
Но более падежными, позволившими наиболее полно использовать капал связи являются так называемые кодоимпульсные системы телокоптроля. В этих системах значение контролируемой величины передается в виде сигналов, представляющих собой комбинацию электрических импульсов. Причем импульсы в комбинации могут различаться числом, амплитудой, длительностью пауз, частотой и т. д. Такая совокупность комбинаций импульсов,, соответствующая определенному значению контролируемой величины, называется кодом, а преобразование контролируемой величины в соответствующие кодовые комбинации импульсов называется кодированием.
В кодирующих устройствах, о которых мы ведем разговор, получение последовательности импульсов, соответствующих определенным значениям контролируемой величины, осуществляется с помощью упомянутого выше шифратора. Принцип действия этого устройства можно легко понять из рисунка 17. На нем изображен шифратор, собранный на электронно-лучевой трубке.
Электронный луч, испускаемый катодом, проходит между двумя системами отклоняющих пластин. Если на эти пластины подавать напряжение, то луч будет перемещаться: под воздействием напряжения на вертикальных пластинах — в горизонтальном направлении, а под воздействием напряжения на горизонтальных пластинах-
55
Рис. . >17. Кодирующее устройство кодоимпульсиой системы с использованием электроннолучевой трубки:
1 и 2 — отклоняющие пластины
в вертикальном* На, вертикальные пластины 2
ся линейно-нарастающее напряжение^ называемое напряжением разверткд, заставляющее луч прочерчивать горизонтальные линии. Частота его равна частоте кодоимпульсных сигналов, образуемых в шифраторе. На пути луча перед анодом помещена кодирующая пластина с отверстиями. Ток в анодной цепи трубки возникает
лишь тогда, когда луч, двигаясь горизонтально, попадает в отверстие. А промежутки между отверстиями этот трк прерывают. Число и размещение отверстий на пластине неравномерно. На горизонтальные пластины подается /напряжение с выхода измерительного элемента, и под его воздействием луч смещается либо вверх, либо вниз и «прочерчивает» линии то в верхней, то в нижней части пластины в зависимости от этого сигнала. Нетрудно увидеть, что и число импульсов тока в анодной, цепи трубки и паузы между ними всякий раз будут неодинаковыми. Таким образом, сигналы от измерительного элемента оказались закодированными. .	<
В кодирующее устройство входит также распределитель. С его помощью осуществляется поочередная подача закодированных сигналов в канал связи. Отметим, что: распределители могут быть контактными, воздействующими на электрические цепи размыканием, и замыканием контактов, и неконтактными, изменяющими в этих цепях токи и напряжения без механических переключений.
Канал связи состоит из передающего устройства, линии связи и приемного устройства. Могут быть акустические, оптические и электрические каналы связи. В современной телемеханике преимущественное применение имеют электрические каналы связи: проводные, и беспроводные.
Каждый из вас видел воздушные проводные линии. Пр ним не только передают телеграммы и ведут телефонные разговоры. Такие линий используются и для нужд
56
телемеханики и позволяют передавать закодированные сигналы на сотни километров. Однако загрязнение изоляторов и проводов, плохие метеорологические условия, атмосферные разряды, влияние проходящих рядом линий электропередач — все это подчас затрудняет передачу сигналов. Более надежными являются кабельные линии связи. Кабели, прокладываемые в земле, или подвесные имеют более высокое сопротивление изоляции, меньше зависят от атмосферных условий. Но они более дороги, и при повреждении требуется большее время для отыскания и устранения неисправности.
Отметим, что в энергетике для нужд телемеханики используются сами провода линии электропередачи, т. е. те провода', по которым «транспортируется» электроэнергия. Сигналы телеконтроля и телеуправления в этом случае передаются токами высокой частоты — от 50 до 300 кГц.
Среди беспроводных электрических каналов связи прежде всего нужно назвать радиорелейные линии. Они состоят из цепочки приемно-передающих радиостанций, последовательно принимающих и передающих сигналы от одного конца линии к другому. Ввиду того что наиболее подходящими дЛя использования на этих линиях- являются ультракороткие радиоволны (а они, как известно, распространяются прямолинейно, подобно лучу света) приемно-передающие -станции приходится ставить на расстоянии 40...60 км друг от друга. Поэтому для покрытия больших расстояний сооружается целая «цепочка» таких станций. Передача сигналов телемеханики на УКВ отличается высокой устойчивостью, ибо индустриальные и атмосферные радиопомехи в этом диапазоне сказываются мало.
Особо отметим, что радиолинии незаменимы в тех случаях, когда необходимо вести контроль и управлять движущимися объектами, удаленными к тому же на большие расстояния. Грандиозная программа исследования космического пространства, изучения Луны, Марса, Венеры и других планет солнечной системы осуществляется благодаря созданию совершенных средств телеметрического радиоконтроля и управления.
Приборы, установленные на искусственных спутниках; позволили получить точные данные о давлении и составе атмосферы в ее верхних слоях, о напряженности
57
Рис. 18. Элементная схема декодирующего устройства электрического и магнитного поля Земли, составе первичного космического излучения, интенсивности корпускулярного излучения Солнца, о температуре внутри и на поверхности спутников и т. д. Фотографирование обратной стороны Луны, работа луноходов и межпланетных автоматических станций, запускаемых к Марсу, Венере и другим планетам, были бы невозможны без использования всех средств телемеханики.
Сигналы автоматического телеконтроля, поступившие в пункт контроля, подвергаются декодированию, т. е. обратному превращению в сигналы контроля, какими они были до кодирования. Декодирующее устройство обычно состоит из блоков распределителя, дешифратора и демодулятора (рис. 18). Распределитель посылает сигналы в различные цепи элементов декодирующего устройства. Дешифратор «распознает» характерные признаки сигналов контроля (амплитуду, полярность, длительность, частоту и т. д.). Совместно с демодулятором названные элементы позволяют на выходе декодирующего устройства получить сигналы, аналогичные тем, которые на начальном конце линии поступили от измерительного элемента. Эти сигналы поступают к исполнительному элементу.
Применение систем телемеханики позволяет осуществлять контроль за работой объекта практически в любых условиях, обеспечивая более точное соблюдение технологических процессов. Но контроль тех или иных параметров технологического процесса не является самоцелью. Знание этих параметров нужно для того, чтобы управлять работой объекта, причем управлять, как правило, без вмешательства человека.
Об автоматическом управлении разговор впереди, а сейчас остановимся на менее сложной, но исключительно важной «профессии» автоматики — на автоматической защите.
58k
Глава 3.
АВТОМАТИЧЕСКАЯ ЗАЩИТА -ВТОРАЯ «ПРОФЕССИЯ» АВТОМАТОВ
Задача устройств автоматической защиты состоит в том, чтобы не только сигнализировать об опасностях, связанных с отклонением технологического процесса от установленных норм, но и останавливать весь процесс. Где же применяются в современной технике устройства автоматической защиты? Сфера их использования очень широка. Это, промышленное производство, энергетика и, наконец, быт.
Простейший автомат, с которым мы встречаемся в быту, — обыкновенные электрические предохранители — «пробки» в квартире. Они обеспечивают нормальную работу электроприборов при длительном прохождении по ним номинального тока. Но стоит произойти перегрузке или короткому замыканию, как тоненькие свинцовые или медные проволочки в предохранителях расплавляются — «перегорают» и ток автоматически выключается^ Более удобны предохранители с биметаллической пластинкой. Если через них протекает ток, величина которого превышает допустимое значение, пластинка, нагретая током, изгибается и размыкает электрический контакт. Охладившись, пластинка принимает первоначальную форму. Такие предохранители в отличие от плавких имеют большой срок службы.
Для мощных генераторов, компрессоров и насосов опасно чрезмерное увеличение частоты вращения вала. Это явление обычно возникает при резком уменьшении нагрузки, например в результате аварии. Чтобы не допустить разрушения машины, на вращающемся валу укрепляют грузыг удерживаемые в углублениях пружи
$9
ной* Когда частота вращения, вала превысит нормальное значение, силы упругости пружины уже не смогут удерживать грузы, они выходят из углублений и задевают за спусковой крючок. Моментально включается тормозной механизм или реле, которые прекращают подачу энергии к машине и останавливают ее.
В нашей стране построены крупнейшие линии электропередачи. Короткое замыкание на такой линии, которое может < возникнуть, например, при обрыве провода, способно вызвать серьезную аварию. Для того чтобы при этом .не пострадали пи генераторы, ни трансформаторы, ни соседние станции, включенные в ту же сеть, на линии установлены мощные автоматические выключатели. При коротком замыкании они отключают аварийный участок, а потребители продолжают подучать электроэнергию от других станций.
Опасны и перенапряжения, возникающие в линии,. например, при ударе в нее молнии. Поэтому все воздушные линии электропередач, а также линии связи снабжаются специальными автоматами защиты — разрядниками. .Если нет перенапряжения, разрядник, включенный между проводом и землей, бездействует. При ударе молнии в провод высокое напряжение, возникающее в нем, зажигает между электродами разрядника электрический разряд, подобный электрической дуге. Сопротивление жгутика разряда очень мало,, и провод на доли секунды оказывается замкнутым на землю. Этого доста? точно, чтобы снятье линии излишки зарядов. Когда опасность перенапряжения минует и напряжение снизится до нормального, разряд прекратится и линия «отключится» от земли. Потребители электроэнергии или абоненты телефонной сети, как правило, даже не догадываютсяj что где-то линия только что подверглась атаке молнии.
Все больше и больше появляется у нас автоматов^ охраняющих жизнь и здоровье людей.
Каким бы опытным ни был рабочий, обслуживающий' пресс, может случиться так, что рука его попадет в опас-г ную зону. Для того чтобы предотвратить увечье,. к прессу приставляют автомат. Принцип его действия очень прост. Лучи света от лампочки проходят через опасную зону и попадают на фотоэлемент. Пресс работает. Но стоит рабочему случайно загородить эти лучи, как сработает реле и пресс автоматически остановится.
60
В ряде производств — бумажном, текстильном, му-комбльйом, химическом — велика опасность возникновения пожаров. Поэтому там приходится принимать действенные меры противопожарной защиты. По потолку охраняемого от пожара цеха проходят трубы, в ответвлениях которых установлены устройства, напоминающие обыкновенные форсунки. Если вспыхнет пожар, то температура в помещении сильно повысится и легкоплавкие вставки, закрывающие входные отверстия форсунок, расплавятся. Автоматически включаются насосы, и потоки воды погасят пожар.
На железнодорожном транспорте успешно испытаны автоматы, останавливающие поезд, если машинист не заметил красного сигнала светофора. На локомотиве установлен светофор, в который по рельсам поступают сигналы от путевых светофоров. Когда на локомотивном светофоре появится запрещающий сигнал, машинист должен нажать специальную ручку. Это означает: «Вижу! Сигнал принят». Если же он не сделает этого, поезд автоматически останавливается.
На современных фабриках и заводах работают самые разнообразные по мощности электрические двигатели. Каждый из них рассчитан на определенную нагрузку. Если его заставить работать «через силу», перегрузить/ то двигатель может выйти из строя. Простейший вид защиты от перегрузок — плавкие предохранители. Выключение может производить и реле максимального тока. При протекании по его обмотке большего, чем нужно, тока реле срабатывает и контакты, через которые электрическое напряжение подается на обмотки двигателя, размыкаются.
Перечень автоматических «стражей» можно было бы продолжить. Несмотря на простоту выполняемых ими функций, роль их исключительно велйка. Срабатывание защитных автоматов (выключение электродвигателя при той или иной неисправности) позволяет сохранять машины и установки, а после устранения неполадок продолжать их эксплуатацию. Вот почему ни в коем случае нельзя во время ремонта или сборки того или иного агре-> гата отключать или выбрасывать приборы защиты, установленные на нем. Двигатель, правда, и без приборов защиты будет работать, но в случае короткого замыкания или при перегрузке он сгорит, будет потерян без^-возвратно. Об этом никогда не нужно забывать.
61
Глава 4.
АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ
Строго говоря, эту «профессию» автоматов специалисты считают разновидностью автоматического управления, разговор о котором пойдет дальше. Но, учитывая важность автоматического регулирования, мы решили остановиться на нем подробнее.
Задача автоматического регулирования состоит в поддержании в течение определенного времени заданного значения какой-либо регулируемой величины, характеризующей технологический процесс, или изменении этой величины по определенному закону,
В автоматических устройствах, выполняющих эту функцию, регулируемая величина того или иного параметра (давление, температура, частота вращения и т. д.) сравнивается с заданным значением и при наличии расхождения между ними регулятор осуществляет воздействие на технологический процесс. Если это желаемое воздействие регулятора на регулирующий орган выразить математически, то полученная закономерность носит название алгоритма регулирования.
Не следует думать, что автоматическое регулирование — примета лишь нашего времени. Нет, оно известно многие столетия.
В разделе этой книги, посвященной истокам автоматики, рассказано о некоторых автоматических регуляторах. Поплавковый регулятор уровня водяных часов, центробежные маятники для регулирования скорости вращения на- мукомольных' мельницах были известны задолго до возникновения промышленного производства. Первые промышленные- регуляторы были созданы
62
И. И. Ползуновым (поплавковый регулятор питания котла паровой машины, 1765 г.) и Дж. Уаттом (центробежный регулятор скорости паровой машины, 1784 г.).
Если первые регуляторы непосредственно воздействовали на регулирующий орган, то позднее это прямое регулирование уступило место непрямому, при котором в цепь регулирования вводился усилитель. Это позволило повысить мощность воздействия регулятора и точнее осуществлять процесс регулирования. В 1884 г. был изобретен регулятор непрямого действия, дополненный релейной обратной связью, которая действовала до тех пор, пока наблюдалось отклонение регулируемой величины от нормы. Затем были разработаны сложные системы регулирования многих величин, взаимно связанных через объект регулирования и между собой.
Во второй половине XIX в. автоматические регуляторы внедряются не только в паровые машины и паровые котлы, но и в компрессорные установки, электрические машины и другие устройства. Появляются автоматические регуляторы, приспосабливающиеся к изменениям окружающей среды. Их назвали самонастраивающимися системами. Использование электронной техники увеличило точность, гибкость регулирования, расширило области применения автоматических регуляторов.
Среди автоматических регуляторов, без которых не может обойтись современная техника, следует особо выделить устройства с программным регулированием. Программное регулирование осуществляется по определенному закону в течение заданного отрезка времени, т. е. по заранее установленной программе. Это дает хороший результат в таких технологических операциях, как закалка стальных изделий. Весь режим работы закаленной печи заранее определен и автоматически изменяется в соответствии с программой.
В приборах и системах автоматического регулирования используется много типов регуляторов. Расскажем о некоторых из них.
Откройте капот автомашины. Среди прочих устройств, обеспечивающих нормальную работу машины, вы найдете реле-регулятор. Для чего он?
Каждый автомобиль имеет свою «электростанцию» — генератор постоянного тока. Напряжение, вырабатываемое им^ зависит от частоты вращения вала автомобиль-
63
ного двигателя. Если бы не было автомата, следящего за величиной напряжения генератора, то при малой частоте вращения вала генератор не подзаряжал бы аккумулятор, а при большой — перегорали бы лампочки фар и выходили из строя другие потребители тока.
Реле-регулятор работает просто: он то увелйчивает, то уменьшает сопротивление обмотки возбуждения генератора. Стоит напряжению генератора чуть-чуть подняться выше нормы, как замыкаются контакты электромагнитного реле и в цепь возбуждения включается дополнительное сопротивление. Сила тока в этой цепи уменьшается, магнитное поле генератора становится слабее — напряжение генератора понижается. Прибор поддерживает напряжение генератора на одном уровне.
В приведенном примере была показана работа электрического регулятора, в котором для управления исполнительным органом используется электрическая энергия. Регулированию подвергалось напряжение автомобильного генератора, поэтому рассмотренный регулятор относится к регуляторам напряжения. Кроме регуляторов напряжения, существуют регуляторы тока, частоты, активной и реактивной мощности. Электрические регуляторы различаются не только по роду регулируемой (входной) величины, но и типу датчика, усилителя, реле и исполнительного элемента.
Коротко об интересном. Вклад русских ученых и изобретателей в развитие автоматики. Если познакомиться с йсторией развития автоматики, то можно убедиться, что это направление }тех-нпки раньше других впитывало все новое, передовое, приспосабливая это нодое для решения практических задач. Средн создателей автоматических устройств много имен русских ученых и изобретателей. Вот некоторые примеры, характеризующие! вклад русских ученых XIX в. в развитие автоматики.	j
1830 г. — русский ученый П. Л. Шиллинг сконструировал первое магнитоэлектрическое реле и применил его в изобретенном им электрическом телеграфе.	.	!
1842—1844 гг. — изобретатель К. И. Константинов построил оригинальную автоматическую систему для определения скоростей полета пушечного ядра. В установке были применены оригинальные автоматические устройства: маятниковое электромагнитное реле, электромеханический переключатель электрических цепей па 16 позиций, регулятор скорости вращения барабана, -на котором регистрировали результаты измерений, и др.. Без вмешательства человека установка автоматически давала Электрические сигналы при пролете ядра через щиты, поставленные на его пути. Эти сигналы фиксировались на миллиметровой бумаге, укрепленной на
Кроме электрических регуляторов, с одним из которых мы только что познакомились, широко применяются регуляторы других типов, например пневматические и гидравлические. В них взаимодействие между отдельными элементами и регулирующим органом осуществляется с помощью сжатого воздуха или жидкости, находящейся под давлением. Эти регуляторы могут служить как для поддержания постоянной регулируемой величины, так и для изменения ее по заданной программе.
Пневматические и гидравлические регуляторы имеют довольно сложную конструкцию, требуют ряда точных в изготовлении деталей, что, конечно, удорожает устройство. Одним из путей резкого уменьшения стоимости регуляторов данного типа и повышения эксплуатационной надежности и является применение в них так называемой струйной техники. Первые регуляторы со струйными элементами были разработаны в нашей стране в Институте автоматики и телемеханики АН СССР и запатентованы в ряде стран. Особенность этих приборов заключается в том, что в них пот механических подвижных деталей (поршней, мембран), а всю работу регулятора выполняют струи и потоки воздуха или жидкости.
В обычном гидравлическом регуляторе нужное воздействие на регулирующий орган обеспечивается слажён-
вращающемся барабане. Несмотря на то что первые варианты установки изготовлялись за рубежом, приоритет К. И. Константинова был официально подтвержден.
1867 г. — изобретатель А. П. Давыдов создал систему автоматической стрельбы корабельных орудий. Гальванический кренометр системы следил за наводкой в вертикальной плоскости, а гальванический индикатор — в горизонтальной.
1871 г. — русский ученый В. Н. Чиколев применил электрический сервомотор для автоматического регулирования. Он же в 1880 г. на первой электротехнической выставке в Петербурге показал «Автоматический путеводитель», который через каждые 1,5 ч по мере сгорания углей переключал ток на другие дуговые электросвечи. Еще через два года Чиколев демонстрировал «Электрический регулятор оборотов локомобиля», не допускающий изменения скорости вращения более чем на 1%.
1885 г. —Н. Г. Славянов для целей электросварки создал оригинальный регулятор, поддерживающий неизменной дугу между электродом и обрабатываемым изделием,-
1895 г. —'изобретатель радио А. С. Попов в своем грозоотметчике применил первую релейную схему, которая положила начало широкому использованию подобных реле в автоматике, телемеханике и других областях техники.
3 Заказ 3923	(J5
ной работой многочисленных клапанов, мембран, заслонок и других механических элементов. Струйный прибор представляет собой небольшую коробку, внутри которой имеются так называемые коммуникационные каналы. В приборе по одним трубкам подводится жидкость, по другим отводится. При прохождении струй жидкости по коммуникационным каналам прибора происходит взаимодействие этих струй, в результате которого в трубках, соединяющих струйный прибор с регулирующим органом возникает давление, соответствующее нужному воздействию на этот регулирующий орган. Скорость струй в каналах изменяется в соответствии с изменением «поведения», режима работы регулируемого объекта или в соответствии с алгоритмом регулирования. Поэтому и взаимодействие струй в приборе в каждый момент времени будет неодинаковым, значит, изменяться будет и воздействие на регулирующий орган. Приборы струйной техники строятся по модульному принципу, т. е. состоят из отдельных функционально законченных элементов; струйные элементы выполняют логические операции сравнения и усиления. По сравнению с обычными приборами пневмогидроавтоматики струйные приборы просты в изготовлении, обладают в сотни и тысячи раз большим быстродействием. Они используются как для регулирования и контроля, так и для управления технологическими процессами.
Мы рассмотрели лишь некоторые типы автоматических регуляторов, на практике их применяется значительно больше. Любой автоматический регулятор состоит из пескольких обязательных элементов, различных по конструкции, но одинаковых по выполняемой функции. Что же это за элементы? Это прежде всего измерительный (или чувствительный) элемент, который подключается к выходу объекта и измеряет регулируемую величину — температуру, давление, силу тока и т. д. Автоматический регулятор может иметь не один, а несколько чувствительных элементов, измеряющих значение других параметров, от которых зависит воздействие регулятора на тот или иной технологический процесс. Затем следует выделить задающий элемент, обязанность которого — «помнить» в каждый момент времени заданное значение регулируемой величины. При программном регулировании со сложным законом изменения
66
регулируемой величины роль задающего элемента мож^т выполнить вычислительное устройство. Необходимой составной частью автоматического регулятора служит и элемент сравнения, который, как видно из названия, сравнивает сигналы измерительного и задающего элементов и определяет отклонение регулируемой величины от нормы. После этого в управляющем вычислительном элементе формируется регулирующий сигнал, необходимый для приведения в действие исполнительного элемента. Если этот сигнал слаб, то его предварительно усиливают в усилительном элементе. В ряде случаев для обеспечения необходимой точности в состав автоматического регулятора вводят корректирующие элементы.
Отметим, что конструктивно перечисленные выше элементы могут существовать не обязательно в виде отдельных блоков; чаще всего в одном блоке совмещаются функции нескольких элементов.
• Глава 5,
АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ
Вначале нашего рассказа об автоматическом регулировании отмечалось, что эта «профессия» автоматов — разновидность автоматического управления. В этом легко убедиться, если рассмотреть работу любого регулятора как управляющей системы. .	ч
Поплавковый регулятор, поддерживающий постоянный уровень жидкости в паровом котле, — пример управляющей системы, применяемой в технике. Любая управляющая система состоит из чувствительного элемента, воспринимающего информацию о состоянии объекта управления, преобразователя этой информации и исполнительного механизма. В пашем примере чувствительным элементом служит поплавок, преобразователем информации — рычаг, а исполнительным механизмом, позволяющим воздействовать на объект управления, — пробка,j связанная с рычагом и открывающая или закрывающая трубу, по которой в котел поступает вода. Как будет показано дальше, современная техника располагает автоматическими управляющими системами, несравненно более сложными, позволяющими решать не только отдельные производственные задачи, но и комплексные проблемы в масштабе народного хозяйства страны.
Кроме техники, с управляющими системами мы встреч чаемся в растительном и животном мире, -а также^ человеческом обществе. Биологические управляющие системы, несравненно более сложные, чем технические, также состоят из элементов, о которых говорилось выше. Самая сложная из них — головной мозг человека с нервной системой. Окончания нервов в органах чувств — эго
;68
чувствительны© элементы; собственно нервная система, включая и головной мозг, — преобразователь информации, а исполнительным механизмом служат окончания нервов, управляющие мышцами. Сложны и многообразны управляющие системы в человеческом обществе. Так, если взять систему управления экономикой страны, то в этой системе чувствительным элементом является аппарат первичного учета, собирающий сведения о состоянии различных отраслей народного хозяйства; преобразование собранной информации и выработка решений осуществляются: Госпланом, а проведение этих решений в жизнь — исполнительным аппаратом (руководители министерстВл предприятий и т. д.).
ВАЖНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
Итак, проблема управления — одна из важнейших проблем современности, оказывающая влияпие на все стороны существования и развития человеческого общества. Значение ее по мере расширения и углубления технического прогресса все более возрастает.
Еще сравнительно недавно главной задачей техники было получение различных видов энергии, передача, преобразование и использование ее. Машинами и механизмами управлял непосредственно человек. Постепенно роль мускульной силы человека становилась меньше, зато значение функций, выполняемых человеческим мозгом, возрастало, особенно после появления мощных источников энергии и сложных высокопроизводительных машин* Управлять этими машинами, не говоря уже о цехах и Целых заводах, прежними методами оказалось невозможно. Большое число взаимосвязанных параметров постоянное изменение ситуации в ходе технологического процесса не позволяют даже специалистам с многолетним опытом управлять производством, обеспе-чйвая при этом оптимальный режим работы всех агрегатов. Но и автоматизация; контроля и регулирования, дающая большое облегчение в работе и освобождающая человека от значительного числа операций, нередко оказывается недостаточной и не разрешает возникающих трудностей управления. Простое увеличение числа обслуживающего персонала тоже не решает проблемы: это не только невыгодно экономически, но и в ряде слу
69
чаев невозможно, особенно на производствах, вредных и опасных для человека.
Жизнь, интересы производства требовали перехода от этапа частичной автоматизации к автоматизации полной или, точнее, комплексной. Иными словами, потребовалось автоматизировать не только отдельные агрегаты или участки, а весь технологический процесс в масштабе цеха или даже завода.
Приведем пример. Перед нами тепловая электростанция, которая автоматизирована лишь частично. Ее работой управляет диспетчер. Разгрузка топлива и его транспортировка к топкам котлов осуществляется механизмами, управляемыми людьми, а' основные режимы работы парового котла и генератора поддерживаются автоматически.
Напомним, что механизация — это замена физического труда человека машиной. Ее осуществление, особенно если механизированы как основные, так их вспомогательные операции, может стать предпосылкой для внедрения автоматизации. ‘ Если на электростанции, о которой мы говорили, автоматизировать разгрузку топлива и его транспортировку, а также все другие операции, включая и «выдачу» электроэнергии потребителям (при наиболее выгодном режиме работы станции), то такая тепловая электростанция становится комплексно-автоматизированной.
Переход от механизации и частичной автоматизации к комплексной автоматизации — это не дань моде и не самоцель. Он осуществляется лишь после того, как специалисты убедятся в том, что комплексно-механизированный цех или предприятие будет иметь экономические и технические показатели выше, чем прежние, неавтоматизированные, а продукция будет более высокого качества.
Нужно отметить еще одну причину, из-за которой проблема автоматического управления в наши дни стала особенно важной. Строительство новых электростанций, фабрик и заводов, т. е. стремительный рост материального производства, требует постоянного увеличения числа работающих как непосредственно в цехах, так и управленческого аппарата. Подсчитано, что через 15...20 лет только управленческий аппарат, если не внедрись автоматизацию, по численности должен стать таким же, как сейчас в промышленности. В целом по стране многократно
70
должно было бы возрасти и количество рабочих на предприятиях, если бы эти предприятия остались механизированными, либо, как в приведенном примере, частично автоматизированными.
На комплексно-автоматизированной электростанции функциями управления ' диспетчер не занимается. Их выполняет автоматическое устройство. Не называя пока по «имени» этого устройства, хочется прежде всего подчеркнуть важность его функций. Это устройство заменило за пультом оператора, взяло функции его мозга на себя, заменило собой его знания, опыт, наконец, интуицию. Каким оно должно быть совершенным и как высоки его значение и роль в осуществлений безотказной и высокоэффективной работы электростанции, цеха, предприятия!
Вы, конечно, догадались, что функции управляющего устройства, ранете выполняемые человеком, взяла на себя вычислительная машина. Поговорим об этом подробнее.
ЧТО ТАКОЕ ИНФОРМАЦИЯ?
Управление многолико. О нем спорят специалисты, когда проектируют прокатный стан или. домну, космический корабль или хлебозавод. Управление войсками во время маневров или на поле боя не похоже на управление атомным реактором. Если при управлении войсками приходится учитывать их численность, вооружение, выучку и психологическое состояние воинов, а также состояние дорог, рельеф местности, даже погоду, то процесс управления атомным реактором определяется и физико-химическими процессами в нем, и техническими характеристиками оборудования, и квалификацией операторов, и т. д.
• И все же, несмотря на свою непохожесть, различные процессы управления можно рассматривать под единым углом зрения, если оперировать каким-то общим для разных случаев понятием. Им стало понятие и н ф о р-м а ц и и.
Ученые, работающие в области теории автоматического управления, с полным основанием утверждают, что информация — это сущность, основа автоматического уп
71
равления. Еще древние мудрецы говорили: «Мы столько можем, сколько знаем». И сейчас вполне очевидно, что лишь точные сведения, или, как обычно принято говорить, информация об управляемом объекте, определяют наши-возможности грамотно, без ошибок им управлять.
Первичную информацию об объекте, как отмечалось, получают с помощью различных чувствительных органов, датчиков и измерительных приборов, с которыми вы уже знакомы. Затем она передается по каналам связи (телефонным, телеграфным или радиолиниям) в устройство, которое должно па основе принятой информации принять решение, т. о. переработать эту информацию в сигнал управления. Л сигнал управления затем используется для определенного воздействия на управляемый объект.
Если посмотреть па организм человека как на управляющую систему, то информация от всевозможных; рецепторов по нервам передается в головной мозг, который анализирует, перерабатывает поступившие сигналы и отдает «приказание» тем или иным органам на ответную реакцию.
В технике «мозгом» системы автоматического управления служит управляющая вычислительная машина, которая может использоваться для управления самыми разнообразными процессами вне зависимости от их внутренней сущности. Введение понятия информации позволило ко всему многообразию управляемых процессов подойти с единой точкой зрения.
И еще одно важное обстоятельство: количество переданной информации но определяется количеством энергии., затраченной на ее передачу. Один сигнал, переданный с незначительной затратой энергии, может цести очень большую, .очень важную информацию. Так, красный сигнал светофора, вспыхнув, может остановить огромный железнодорожный состав. Если эту мысль сформулировать в общем виде, то сущность управления на основе информации заключается в том, что при помощи небольших количеств энергии и масс достигается преобт разование больших количеств энергии, изменяются, движение и действие больших ,масс и т. д. Энергетическая характеристика явлений в. теории информации отступает, на второй план.	.
72
Коротко остановимся на том, в каком виде передается информация. Вопрос этот, действительно, важный, ибо информация может принимать самые разнообразные формы. Например, в термостате приборе, поддерживающем постоянную температуру, происходит то включение, то выключение электрической цепи, и информация об этом процессе выражается двумя противоположными сигналами — «включено» — «выключено». А напряжение генератора электростанции, постоянно изменяясь, носит характер непрерывного сигнала. В ряде случаев информация представляет собой числа: количество выработанной продукции или полуфабриката, стоимость изделия и т. д.
Как видим, информация может представляться в двух формах — непрерывной и дискретной (т. е. прерывистой). На современном уровне развития техники особо важное значение приобрела дискретная форма представления информации. Оказывается, что информация в непрерывной форме может быть представлена с наперед заданной точностью в дискретной форме. Так, плавно изменяющееся напряжение генератора можно отразить не только в виде кривой графика, но и в виде последовательности чисел, каждое из которых показывает величину напряжения в тот или иной момент времени. Для чего это нужно? Дело в том, что информацию дискретную, т. е. в виде чисел, легко закодировать и передать по каналу связи в виде сочетания импульсов. Обычно при кодировании используют двоичную сйстему счисления, имеющую' только две цифры: 0 и 1. По этой системе число два записывается кап 10, число три — как 11, число четыре — как 100 и т. д.	> j
Вы уже знаете, что в автоматике широко применяются реле, которые имеют только два положения — «включено» и «выключено». Если условиться, что положение «включено» соответствует 1, а «выключено» — 0 двоичной системы, то, воздействуя'с помощью реле на сигнал, например, радиопередатчика; можно превратить этот сигнал в последовательность импульсов. Так, если послано в эфир подряд два импульса (в двоичной системе —- Й), то это значит, что передано число три и т. д. Передавая сигналы по проводам, можно чередовать токовые и бес-токовые импульсы или изменять прямое направление тока на обратное и т. д.
73
В сообщении, состоящем из сигналов двоичной системы, каждая цифра передает единицу информации. Эту единицу информации часто называют бит1.
Мерилом объема информации, содержащейся в сообщении и поступающей в управляющую Машину, является количество бит, т. е. единиц информации, заключенных в этом сообщении. С обработкой закодированной в виде чисел информации, хранением ее может справиться лишь электронная вычислительная машина (ЭВМ), которая способна производить в секунду многие тысячи и даже миллионы арифметических действий с числами. Какие это дает преимущества, какую роль играет ЭВМ в автоматическом управлении — об этом вы узнаете дальше.
КИБЕРНЕТИКА —НАУКА ОБ УПРАВЛЕНИИ
Слово «кибернетика» не новое, оно встречается еще в трудах знаменитого философа древности Платбна. В переводе с древнегреческого на русский «кибернетес» означает «кормчий», «рулевой». И именно применительно к кораблевождению и использовал это слово Платон. В первой половине XIX в. термином «кибернетика» французский физик А. Ампер в своих «Очерках по философии наук» (1834 г.) назвал по существовавшую в то время пауку об управлении обществом. Но термин, предложенный А. Ампером, распространения не получил, был забыт и появился вновь более чем через сто лет. В 1948 г. американский ученый Н. Винер опубликовал книгу «Кибернетика, или управление и связь в живых организмах и машинах». Кибернетикой была названа общая наука об управлении на основе информации или, если развернуть это понятие, наука об общих законах получения, хранения, передачи и преобразования информации в сложных управляющих системах.
Кибернетика возникла не случайно. Ее появление обусловлено прежде всего потребностями практики, бурным развитием техники, которое привело к созданию сложных устройств автоматического управления производственными процессами. Фундамент кибернетики со
1 Вит — от англ. Binary digit — двоичная единица количества информации при. осуществлении одного из двух равновероятных сообщений.
74
ставили достижения целого ряда наук, изучающих процессы управления в различных физических областях, например: теория автоматического регулирования и следящих систем, статистическая теория передачи сообщений, теории игр и оптимальных решений, теории электронных вычислительных машин, управляемых по определенным программам, и др. К этому перечню технических наук следует добавить биологические науки, прежде всего генетику, рефлексологию, изучающие процессы управления в живой природе.
Каждая из перечисленных паук занимается конкретными процессами управления, кибернетика же изучает то общее, что свойственно всем процессам управления и является единой теорией этих процессов. Она изучает процессы управления с информационной стороны, отвлекаясь от конструктивных характеристик реальных систем управления и от энергетической стороны проблемы. Кибернетика это наука о способах восприятия, передачи, хранения, переработки и использования информации не только в технике, в машинах, но и в живых организмах и их объединениях. Любая система управления, сущее вующая в неживой и живой природе, интересует кибернетику прежде всего с точки зрения ее способности воспринимать и перерабатывать информацию.
Кибернетика — наука, использующая разнообразный и сложный математический аппарат. Об этом можно судить, если только перечислить основные разделы кибернетики. Вот они: теория информации, изучающая способы восприятия, преобразования и передачи информации, теория алгоритмов, занимающаяся разработкой методов переработки и использования информаций для управления, теория систем управления, изучающая структуру и принципы построения управляющих систем и их связь с управляемыми объектами и внешней средой.
Последняя названная здесь теория систем управления имеет прямое отношение к содержанию этой главы, поэтому ее мы несколько позже рассмотрим особо. А завершая знакомство с кибернетикой, остановимся более подробно на проблеме «Живой организм и машина» и попробуем уяснить в рамках понятия информации значение выявленных учеными законов управления в живых организмах для нужд практики.
75
В живых организмах, как и в машинах, применяемых для автоматического управления, тоже'имеются чувствительные органы, предназначенные для собирания информации об окружающей обстановке, которые потребляют очень мало энергии и, по своей сути, осуществляют, связь с внешним миром. Принятая чувствительными органами информация преобразуется в живом организме, как и в машине, в форму, пригодную для дальнейшего ее использования. Чувствительные органы осуществляют также функцию обратной связи, регистрируя выполнение или невыполнение задач, для которых они предназначены.
В живом организме тоже имеется центральный орган управления — мозг, который, как и вычислительное устройство, определяет поведение системы на основе информации, поступившей от чувствительных органов и накопленной в памяти. Наконец, в живом организме имеются исполнительные органы, обеспечивающие достижение цели на основе использования переработанной информации.
Анализ процессов управления в живых организмах и в технических системах полезен как для изучения биологических законов поведения живых организмов, так. и для развития техники.
Ученые считают человеческий мозг наиболее совершенной системой управления, созданной природой. Применяя к этой системе информационный подход, ученые создают электронные модели отдельных функций мозга, и это позволяет многие задачи, решаемые мозгом, поручить автоматическим устройствам. Но эти модели процессов управления в живой природе позволяет создавать и системы управления, используемые как в технике, так и дЛн дальнейшего исследования процессов управления в живых организмах. :	•'
Такое широкое поле деятельности кибернетики Позволило выделить из нее аналитическую кибернетику, занимающуюся анализом информационных процессов в объектах любой природы, и техническую кибернетику — науку об управлении техническими системами.
Взаимосвязь и взаимообогащение биологических и технических наук существует давно. Изучение устройства человеческого уха натолкнуло А. Белла на изобретение микрофона, а создание воздушных пойп позволило рас
76
крыть законы циркуляции крови в человеческом организме. Разумеется, задача создания устройств, имитирующих работу мозга и нервной системы, на много порядков сложнее, и наука приступила к реализации этой идеи лишь в наше время, в эпоху научно-технической революции.
Для развития технической кибернетики, а следовательно, и автоматики большое значение имело изучение свойства человеческого организма приспосабливаться к окружающим условиям и совершенствоваться в процессе приобретаемого им опыта. Пульс, давление крови, содержание в ней белых и красных кровяных телец, даже температуру тела наши «внутренние регуляторы» поддерживают в определенных пределах и не- допускают изменений до опасных величин. А овладение трудовыми навыками, физической выносливостью, улучшение реакции на внешние раздражители — это ли не подтверждение способности человека самосовершенствоваться в процессе приобретения им знаний и опыта?
В технике тоже нужны самонастраивающиеся и самосовершенствующиеся системы, и ученые разрабатывают их, несмотря на многообразие условий,, от которых зависит ход технологического процесса, сложность математических расчетов и экспериментов, необходимых для создания таких систем.
Чтобы понять, как действует самонастраивающаяся система, приведем пример. В больших городах на перекрестках устанавливаются автоматические светофоры, действующие по определенной программе. Они настроены так, например, что пропускают транспорт (включают зеленый сигнал светофора) по главной магистрали в течение 30 с, а в перпендикулярном направлении — 20 с. Сигналы светофоров, чередуясь, осуществляют управление уличным движением. Но вот обстановка изменилась: по каким-то причинам больше автомашин стало скапливаться на пересекающей магистраль улице. Наш автомат этого не замечает и продолжает работать по-прежнему. Если бы он был самонастраивающимся устройством, то сам, без вмешательства человека, живо отреагировал бы на изменение обстановки. Он не только изменил бы интервалы времени для движения в прямом и перпендикулярном направлениях (обеспечивая наименьшее время простоя машин .у светофора), но и в случае перегрузки
77
перекрестка транспортными средствами указал бы водителям объездные пути. И . чем больше времени такая самонастраивающаяся система управляла бы движением автомашин через перекресток, тем лучше она справлялась бы с этой обязанностью. Это означает, что система.управления обладает свойством самосовершенствования,' т. е. способностью приближения к оптимальному режиму работы.
Проведение аналогии между работой человеческого мозга и машины вовсе не означает, что протекающие в них процессы тождественны. Человек обладает способностью сознания и мышления, связанного со специфическими биохимическими процессами в, мозгу. Машины такой способностью не обладают. Заглядывая в будущее, можно предположить, что создание кибернетических машин позволит все более и более цмитировать самые сложные функции человеческого мозга.
ТЕОР ИЯ АВТОМАТ ИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
Мы уже упоминали о том, что в систему управления входят объект управления (например, прокатный стан, живой организм, армейское соединение и т. д.) и орган управления (управляющая ЭВМ, мозг с нервной системой, штаб со средствами связи и т. д.).
Теория автоматического управления разрабатывает и обеспечивает техническую реализацию общих принципов и методов управления без непосредственного участия человека в этом управлении. Все это, конечно, осуществляется па основе информации. Из сказанного ясно, что теория автоматического управления является общей для кибернетики и автоматики, ибо в ней формулируются основные принципы действия информационных автоматических систем.
Приступая к созданию системы управления, нужно прежде всего сформулировать цель управления, т. е. определить, для чего нужно управлять тем или иным объектом. Если объект управления — производственный процесс, то при определении цели управления потребуется решить не только чисто технологические, но и экономические задачи. Ведь в конечном счете эффективность системы управления определяется производительностью технологической линии, себестоимостью продукции, затратами, на разработку системы, сроками ее окупаемости
78
и другими чисто экономическими показателями. Поэтому формулировка цели управления осуществляется с привлечением данных по цеховому и заводскому учету, планированию динамики изменения себестоимости и т. д.
Доскональное знание того объекта, которым предстоит управлять, позволяет решить и следующую проблему — проблему математического описания управляемого объекта, или, как говорят специалисты, проблему математического моделирования объекта. Это значит, что нужно будет найти все факторы, все переменные, характеризующие поведение управляемого объекта, от которых зависит достижение цели управления. Причем не только найти логическую зависимость конечного результата от этих переменных, но и дать количественную оценку этой зависимости.
В ряде случаев математическое моделирование управляемого объекта удается осуществить аналитическим путем, т. е. при помощи расчетов, решения математических уравнений и т. д. Но нередко, например, при создании новых производств искомые зависимости известны лишь в общем виде или неизвестны вообще. В этом случае ставится эксперимент либо специалисты в области автоматического регулирования разрабатывают методы поиска условий, при которых достигаются цели управления.
Знание цели управления и определение логических и количественных зависимостей, характеризующих работу объекта, позволяют выбрать технические средства для получения и передачи первичной информации, нужной для управления. Без первичной информации, поступающей по линиям связи от датчиков, измерительных приборов, анализаторов и т. д., управляющая система не сможет вырабатывать сигналы управления. Вот почему на создание этой части системы автоматического управления обращается особое внимание. Прежде всего в конструкции этих устройств стараются применить последние достижения физики, химии, электроники, техники связи и т. д. Проблемой получения и передачи информации при разработке конкретной системы автоматического управления занимаются специалисты в области теории и техники измерений, теории информации, технической теории связи.
Важной проблемой в теории автоматического управления является проблема преобразования первичной
79
Рис. 19. Элементная схема автоматического управления с обратной связью
информации в полезную, т, е. в такую, которая может непосредственно использоваться для управления. Напомним, что в системе управления автоматическое управление осуществляет ЭВМ. Вводимая в нее информация должна быть «понятна» вычислительной машине. Поэтому устройства, воспринимающие первичную информацию, перед тем как опа подвергнется анализу в ЭВМ должны преобразовать ее в соответствии с «поведением» управляемого объекта и целью управления.
Выше мы говорили о математическом моделировании или описании управляемого объекта. Это описание, или алгоритмизация, сложного производственного процесса представляет собой последовательность взаимосвязанных простейших операций. Весь рабочий процесс условно расчленяют на отдельные действия и находят параметры, которые влияют на ход технологического процесса или на качество продукции. Составленный подобным образом «план действий» (алгоритм) и является программой для ЭВМ (рис. 19). Он хранится в памяти ЭВМ, будучи записанным с помощью формального языка, т. е< системы условных команд.
Осуществляя управление, ЭВМ в соответствии с программой своей работы «опрашивает» датчики и другие устройства контроля за управляемым объектом, и ре
80
зультаты их «ответов» после этого подвергаются преобразованию, о котором говорилось выше. Полученные в результате преобразования электрические импульсы ЭВМ, действуя по программе, рассортирует, «разложит по полочкам» и, произведя сравнение с эталонными данными, хранящимися в памяти машины, проанализирует ситуации и выдаст рекомендацию — сигнал управления.
От автоматических устройств, рассмотренных нами ранее, используемых для контроля, защиты или автоматического регулирования, управляющая ЭВМ отличается принципиально. Устройства автоматического контроля, защиты или регулирования выполняют лишь ту работу, которая' им «предписана» раз и навсегда и определена их принципом действия и конструкцией. Управляющая ЭВМ, наоборот, может выполнять самую разнообразную работу по управлению объектами, выполнять любые задания, для чего требуется лишь изменить «план действий», алгоритм ее работы. Важнейшим преимуществом управляющей ЭВМ является и ее быстродействие. Свои решения она принимает в сотые доли секунды, перебрав множество вариантов и выбрав из них оптимальный.
Но Пойдем дальше. Итак, управляющая ЭВМ выдала сигналы управления. Эту информацию можно немедленно использовать на объекте управления, чтобы привести в действие исполнительные органы. По существу речь идет об автоматическом регулировании. Для выполнения его выбирают регулятор или следящую систему, которые эффективно воздействовали бы на управляемое, устройство.
Завершая разговор о теории автоматического управления, о задачах, решаемых этой теорией, упомянем и о такой очень важной проблеме, которой является надежность . системы управления в целом и отдельных ее компонентов. Выход из строя, например, одного реле или транзистора может нарушить работоспособность всей системы управления, если, конечна, заранее на этапе разработки не предусмотреть должных мер. Поэтому проблемой надежности занимаются не только инженеры-конструкторы, но и специалисты в области теории автоматического управления.
81
УПРАВЛЯЮЩИЕ МАШИНЫ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
В предыдущем разделе мы в общих чертах уже рассмотрели работу ЭВМ в системе управления. Разумеется, такая ведущая роль «электронного мозга» в процессах автоматического управления возникла не сразу, да и не всегда она целесообразна.
На первых порах вычислительная техника для целей управления производственными процессами применялась лишь для вспомогательных расчетов и моделирования отдельных элементов систем автоматического управления. На следующем этапе удалось связать ЭВМ непосредственно с управляемым объектом и она сама перерабатывала информацию о ходе производственного процесса, производя простейшие вычисления, но не вмешиваясь в процесс управления, который по-прежнему осуществлялся оператором. Позднее обязанности ЭВМ еще более усложнились: она стала постоянно следить за ходом технологического процесса и вырабатывать руководящие указания, давать «советы» оператору, подсказывая ему, как целесообразнее поступить дальше.
Таким образом, ЭВМ ' поначалу были машинами автоматической регистрации, выдававшими оператору информацию о температуре, давлении, расходе материалов и т. д. Оператор сопоставлял эти данные с заданными значениями и, пользуясь заранее составленными таблицами, принимал решение об изменении положения задвижек, настроек, режимов и т. д. В данном случае вычислительная машина имеет обратную связь с управляемым объектом лишь через оператора. Разумеется, эта связь действует не синхронно с технологическим процессом. Синхронно с ним вычислительная машина выдает лишь информацию в цифровой форме, удобной для обозрения оператором. На более совершенном этапе использования вычислительной техники, когда машина дает советы п рекомендации оператору, она делает это уже в одном темпе с управляемым процессом. Работа оператора значительно упрощается и становится более эффективной. И хотя возможный выход из строя ЭВМ в этом случае не, приведет к аварии, но без вычислительной машины в цепи обратной связи оператору будет трудно управлять процессом.
С самого начала применения вычислительной техники
82
для нужд управления использовались и используются машины двух типов: непрерывного действия (или машины-аналоги) и дискретного действия (или цифровые машины).
В машинах непрерывного действия, или в аналоговых машинах, информация подается в виде значений физических величин — частоты вращения, силы тока, напряжения и т. д. В машине создается аналогия той задачи,, которую необходимо решить в целях управления. Поступившая в машину информация подвергается преобразованию, в результате которого получается новое значение физической величины. Quo и представляет собой желаемый ответ.
Аналоговая машина свои ответы дает сразу после поступления в нее v информации. Она устроена проще и для простых применений предпочтительнее, чем, цифровая.
Аналоговые, машины могут действовать на механичес-ком_принципе. В них физическая аналогия задачи создается системой механических соединений и передач шестерен, конусов, дисков и т, д. Однако неизбежные смещения и зазоры уменьшают чувствительность аналоговой машины механического действия и снижают точность ее работы. Поэтому церешли к электрическим аналоговым машинам, в которых регулируемый процесс моделируется электрическими схемными методами. Но и этим машинам присущ, серьезный недостаток: электрические помехи и шумы, которые заглушают полезные сигналы (особенно в машинах сложной конструкции).
Цифровые машины в отличие от аналоговых работают при помощи счета. Информация в них поступает в форме чисел. Машина математически обрабатывает эту информацию и выдаст результат также в цифровой форме. Цифровые ЭВМ, используемые в системе управления, по конструкции значительно сложнее аналоговых. Однако они более устойчивы к помехам и обладают большей точностью решения задач управления. Благодаря огромному быстродействию цифровые машины во многих случаях могут работать синхронно с управляемым процессом.
Именно способность цифровых машин производить с молниеносной быстротой расчеты и после переработки поступившей информации практически мгновенно принимать решения сделали эти машины незаменимыми в
83
системах автоматического управления (САУ) на наивысшем этапе использования вычислительной техники для управления. Этот этап можно назвать к и бернети-ч е с к и м; управляющая ЭВМ без вмешательства человека решает все задачи управления объектом, обеспечивая наиболее эффективный режим его работы.
Системы автоматического управления (САУ) все шире внедряются в народное хозяйство. Но управляющая ЭВМ— очень сложное и дорогое автоматическое устройство. С другой стороны, для решения частных, небольших по объему задач можно обойтись более простыми средствами. В ряде случаев система управления охватывает несколько цехов с различными технологическими процессами или несколько предприятий, выпускающих неодинаковую продукцию. Как целесообразнее в таких случаях внедрять автоматику в управление?
Практика подсказала, что систему управления предпочтительнее строить по принципу соподчиненности, или иерархическому принципу. Все объекты управления при этом делятся на уровни. Назовем некоторые из этих уровней: станок (станки-автоматы с числовым программным управлением уже работают в промышленности), группа станков (поточная линия), цех, завод, группа предприятий, отрасль (министерство) и т. д. Внутри каждого уровня управления и между уровнями определено четкое соподчинение, а методы и средства управления на каждом уровне свои и направлены на решение задач данного уровня.
И хотя во всех уровнях широко используются средства автоматизации, человек непосредственно участвует в управлении. Поэтому в отличие от САУ данные системы называются АСУ — автоматизированными системами управления. Слово «автоматизированная», входящее в название системы, означает, что автоматизация неполная, что в работе системы управления, в процессе управления активно участвует человек.
Но как и в САУ, важнейшее звено в АСУ — ЭВМ или даже вычислительный центр, состоящий из группы ЭВМ. С объектами управления, а иногда и с другими уровнями управления ЭВМ связана каналами связи.-Те операции, которые можно поручить автоматическим, устройствам (контроль, сбор информации, хранение, и обработка и т. д.), автоматизируются, а человек оценивает
•84
результаты обработки оперативной информации, принимает решения, координирует работу отдельных звеньев АСУ. Таким образом, там, где .нужен опыт специалиста, его интуиция, знание коллектива, важнейшие решения принимает не машина, а человек. Это относится, например, к разработке методики испытаний продукции или новой модели, определению объема и характера научных изысканий, расстановке кадров и многому другому.
Создание не полностью автоматической, а автоматизированной системы управления не является признаком ее недоработки или несовершенства. Это служит лишь свидетельством того, что АСУ в данных условиях — лучший вариант управления, дающий наибольший экономический эффект при наименьших затратах. Попутно отметим еще раз, что в ряде случаев замена человека автоматическими устройствами либо невозможна вовсе, либо сопряжена с трудностями, которые резко уменьшают эффективность автоматизации.
Перейдем к описанию некоторых систем управления, внедренных в народное хозяйство, — систем, степень автоматизации которых очень высока. Начнем с хими-. ческой промышленности, например с производства аммиака.
На Новомосковском химическом комбинате в 1967 г. начала действовать управляющая система «Каскад». . В состав комбината входит много агрегатов, цехов, складов сырья и т. д., удаленных друг от друга, но связанных единым технологическим процессом, в данном случае производством аммиака. Работа всех этих звеньев должна быть согласована.
За самый первый наименьший уровень в системе управления приняты цех, склад или их отделения. Техническими. средствами системы «Каскад» служат цифровая вычислительная машина «Урал-11 Б», оперативно-диспетчерское оборудование, телемеханическая система передачи данных, датчики технологических параметров, преобт разователи сигналов и Т; дч Датчики измеряют давление, плотность, температуру и ,другие параметры потоков сырья и готовой продукции и установлены на важнейших агрегатах и на всех межцеховых коммуникациях. Их показания преобразуются в электрические сигналы, которые средствами телемеханики передаются на центральный диспетчерский пункт и на. преобразователи величин для ввода в ЭВМ.
85
Вычислительная машина производит по получаемой информации расчет показателей, анализирует производственную ситуацию и вырабатывает рекомендации, как лучше вести технологический процесс дальше. Диспетчер эти «советы» немедленно реализует. Ежесуточно ЭВМ системы в течение 20 мин учитывает расход электроэнергии подразделениями комбината. «Каскад» работает круглосуточно, его обслуживают 19 специалистов.
Внедрение автоматизированных систем управления предприятием (АСУП) резко изменяет стиль работы управленческого аппарата и освобождает большое количество работников от обязанностей учета, технического контроля и т. д. У специалистов появляется больше времени на решение принципиальных вопросов управления, возрастает ритмичность в работе предприятия, повышается эффективность труда всех членов коллектива. Об этом можно судить по сроку окупаемости АСУП: он составляет 1,5...2,5 года.
Более крупные и сложные системы управления — ОАСУ — отраслевые автоматизированные системы управления, которые, как видно из названия, служат средством управления целыми отраслями народного хозяйства. С их помощью осуществляется бухгалтерский учет, анализ хозяйственной деятельности и материально-технического снабжения, решаются отдельные задачи техникоэкономического планирования и т. д. Внедрение этих систем позволяет упростить структуру управления, перейти, например, к схеме управления «предприятие — комбинат — министерство».
Сейчас ОАСУ имеют практически все отрасли промышленности, а одной из первых таких систем была система «АСУ-прибор» в Министерстве приборостроения и средств автоматики СССР. Она была введена в строй в 1968 г.
При создании «АСУ-прибор» в основу были положены принципы новой системы планирования и экономического стимулирования. Благодаря тому что на ЭВМ решались задачи перспективного и годового планирования, определялись оптимальные варианты производственной деятельности,. «АСУ-прибор» помогала развитию инициативы и самостоятельности руководителей предприятий, позволяла вскрыть резервы производства, полнее и рациональнее использовать кадры, технику и материалы.
86
Руководитель любого предприятия, обслуживаемого системой «АСУ-прибор», может заказать расчет плана с учетом минимума себестоимости продукции, максимума прибыли, оптимальной загрузки оборудования, в зависимости от спроса продукции и т. д. Расчет одного варианта плана завода средних размеров ЭВМ производит за 1...2 ч вместо 3...4 недель, необходимых 5—7 работникам без ЭВМ. Руководство министерства с помощью системы «АСУ-прибор» рассчитывает оптимальные планы как отрасли в целом, так и подотраслей и предприятий. Без ЭВМ сделать это оперативно было невозможно.
Кроме отмеченного выше, «АСУ-прибор» контролирует выполнение плана и при отклонениях кодом сообщает их причину и подсказывает необходимые организационные мероприятия для их устранения. Каждое предприятие в середине месяца, сообщает, вводит в «АСУ-прибор» сведения о материалах и комплектующих изделиях, которыми не обеспечена программа текущего месяца, а 24—27 числа — программа предстоящего месяца.
Внедрение «АСУ-прибор» потребовало унификации оперативных сообщений, сократило излишнюю информацию, упорядочило отчетность. Так, сводные, нормы расхода материалов и комплектующих изделий передаются теперь по двум формам вместо существовавших ранее 38.
Усовершенствование системы «АСУ-прибор» позволило расширить ее возможности: решать с ее помощью вопросы сбыта продукции, технической политики и др.
Вся техника системы «АСУ-прибор» размещена на большой территории страны. В Москве находится вычислительный центр с тремя ЭВМ, счетно-перфорационными машинами и устройствами печати выходных данных. В здании министерства оборудованы пункты наглядного отображения, на экранах которых можно увидеть нужную информацию. На отдельных предприятиях отрасли имеются информационные пункты, созданы также кустовые информационные пункты для груйры предприятий. На информационных пунктах установлены телетайпы, с помощью которых по линиям абонентного телеграфа и телефона передается^ принимается всевозможная информация, нужная для осуществления управления.
В одной книге невозможно рассказать о многообразии систем управления различными производствами. Они
'	87
сейчас успешно работают и в металлургической, и в нефтеперерабатывающей промышленности, на транспорте, в авиации и т. д. Процесс внедрения средств автоматического управления в практику столь велик, что ученые уже набрасывают контуры ОГАС — Общегосударственной системы управления народным хозяйством. Она будет осуществлять сбор, поиск, обработку и представление информации в виде документов о работе отраслей и важнейших объектов народного хозяйства. Создание ОГАС позволит автоматизировать .обмен информацией между отраслевыми системами управления.
Создание общегосударственной системы управления возможно не только при высоком уровне развития средств вычислительной техники, но и при условии, что в стране будет действовать Единая автоматизированная система связи (ЕАСС), Она уже создается и со временем свяжет воедино буквально все насоленные пункты СССР, позволит различным регионам страны шире обмениваться любой информацией, в том числе телевизионными и радиопрограммами, газетами т. д.
Для этого потребуются каналы связи огромной пропускной способности. Использование связных искусственных спутников Земли, коаксиальных кабельных линий, радиорелейных линий, работающих на очень высоких частотах, позволит справиться с этой задачей. Не' исключено, что одним из средств ЕАСС станет связь с помощью лазерного луча, о котором мы уже говорили выше.	. .
Говоря об автоматизированных информационных системах, охватывающих всю страну, остановимся на системе единого времени «СЕВЭНА», разработанной советскими учеными. Создание Службы единого времени — необходимое требование жизни. На транспорте, связи, в промышленности и научных исследованиях процессы столь быстры и интенсивны, что требуют отсчета времени с точностью примерно на порядок выше, чем делагОт это массовые часы. Развитие крупных автоматизированных комплексов в сфере промышленного производства, на транспорте и в связи, а такжё создание систем управления, охватывающих многие районы страны, делают эту проблему особенно актуальной.
Задача состоит в том, чтобы предприятия, лаббраториП да и каждого работника Непрерывно снабжать информа-
88
дней о времени. Если для этого использовать самостоятельные, автономные часы, то они постепенно будут накапливать ошибку в показаниях и потребуется корректировка, обычно осуществляемая вручную. Радикальным решением проблемы является создание Службы единого времени в виде совокупности часов, позволяющих автоматически корректировать их показания, причем всех одновременно.
Конечно, можно было бы повысить точность автономных часов, перейдя на новые принципы их построения, например создать кварцевые или атомные часы. Но это резко увеличит их стоимость. Подсчитано, что при увеличении точности хода часов в 10 раз их стоимость возрастет в 100 раз.
В научно-исследовательском институте часовой промышленности совместно с учеными ВЗПИ была разработана система единого времени «СЕВЭНА», что расшифровывается так: «Система единого времени, электронная, нормализованная, агрегатная». По своей структуре она относится к иерархическим информационным системам и имеет 4 ступени.
Самая верхняя ступень — Государственная служба времени СССР, которая существует и сигналы точного времени которой мы ежедневно слышим по радио. Эти сигналы поступают в эфир от первичных часов, синхронизуемых по Государственному эталону времени (группа кварцевых часов, высокой точности).
Следующая, более низкая ступень «СЕВЭНЫ» — часовые станции, находящиеся в разных городах страны. Они имеют первичные часы, радиоприемник, селектор сигналов времени и блок управления, в который входят программное устройство и два транслятора сигналов времени.
Часовая станция того .или. иного города или городского района работает , от сети переменного тока. В эту сеть, включены и вторичные часы,, а также множество часов в городе. Они установлены в учреждениях, на улицах, в цехах заводов, в лабораториях и т. д. Это могут быть стрелочные часы или цифровые, с непрерывным или дискретным отсчетом времени. Кроме-того,; это и. всевозможные реле времени, командоаппараты, отметчики времени, счетчики наработки и даже бытовые таймеры и программновременные устройства для стиральных машин, электроплит, бытовой радиоаппаратуры и т. д. Важно, чтобы все эти вторичные приборы времени включались в розетку ос
89
ветительной сети. Дело в том, что от сети они получают не только энергию для своей работы, но и корректирующие сигналы. Как это происходит?
Мы упоминали выше, что в блок управления на часовой станции входит программное устройство. Этот автомат за 2—3 минуты до начала каждого часа включает радиоприемник, «ожидая», когда по радио начнут передаваться те самые шесть сигналов точного времени, к которым все мы привыкли. В этих сигналах важен последний, шестой сигнал, который передается ровно в 00 мин того или иного часа. Он и выделяется специальным селектором и позволяет сравнивать время, показываемое первичными часами часовой станции с точным временем, «сообщаемым» по радио.
Первичные часы, устанавливаемые на часовой станции, сами по себе довольно точны. Они стабилизированы кварцевым генератором. И при сравнении их показаний с временем, переданным Государственной службой времени по радио, расхождение может составлять доли секунды. Но и такала неточность показаний первичных часов немедленно устраняется (это > осуществляется электронными методами) , и первичные часы снова начинают идти точно.
' Но ведь в конечном счете важно, чтобы точное время показывали вторичные часы, т. е. часы, которые находятся у «потребителей» точного времени. Автоматическую корректировку хода этих вторичных часов осуществляет программное устройство уже самой часовой станции. Оно каждый .час посылает электрический сигнал коррекции длительностью 0,1 с, и по этому сигналу, пришедшему по цроводам осветительной сети, корректируются вторичные часы. А чтобы вторичные часы не ошибались в показаниях секунд, минут и часов, первичные часы передают сигналы кода времени в виде серии прямоугольных импульсов длительностью 0,2 с и с интервалами следования в 1 с.
Коротко об интересном. Автоматизированный универсам. В СССР и других экономически развитых странах мира создаются не только отдельные торговые автоматы, но и разрабатываются проекты целиком автоматизированных торговых предприятий. Расскажем об одном из них.В этом магазине — несколько десятков автоматов, часть которых имеет морозильные установки. Каждый автомат может обслужить 3 тыс. покупателей, продавая самые разнообразные товары.
Покупатель при входе в магазин получает специальные магнитные карточки. Подойдя к автомату с нужным товаром, он вставляет в специальную щель карточку и нажимает кнопку, селектора. ЭВМ регистрирует продажу и отключает замок на дверце. Покупатель берет товар и укладывает в специальную тележку.
90
Чтобы сигналы коррекции и кода времени «не мешали» друг другу (ведь они передаются по одним и тем же проводам осветительной сети), для каждого из них выделена своя несущая частота. Один сигнал передается на частоте 51,5 кГц, второй — на частоте 58,5 кГц. Через устройство присоединения они передаются одновременно во все три фазы силовой распределительной и осветительной сети.
У вторичных часов тоже имеется устройство присоединения к электрической сети, из которой с помощью электрических полосовых фильтров «извлекаются» нужные сигналы, «доставленные» на тех двух частотах, которые были названы выше. Счетное устройство вторичных часов, принимая сигналы часов первичных, будет, во-первых, обеспечивать их правильные показания и, во-вторых, производить ежечасно корректировку времени.
Если потребитель пользуется цифровыми часами с панелью светящихся цифр, то в этих часах счетным устройством является электронный счетчик без каких-либо движущихся деталей. А в случае использования стрелочных часов их стрелочный механизм подчиняется счетному устройству в виде синхронно-импульсного электродвигателя.
Преимуществом системы «СЕВЭНА» является то, что она строится по агрегатному принципу, т. е. из набора «кирпичиков», функциональных блоков, которые могут использоваться в разных сочетаниях и разном количестве. Иными словами, имеется возможность получать много вариантов Службы единого времени в зависимости от условий применения и выполняемых задач.
Кроме пассивной регистрации точного времени, «СЕВЭНА» может использоваться и для целей автоматического регулирования и управления. Осуществить это позволяет канал связи для передачи сигналов коррекции по проводам осветительной сети. Этот капал можно использовать и для других целей. Добавив простейшую приставку, по данному каналу можно передавать команды объектам, расположенным, например, вблизи вторичных часов. Какие- команды? Например, команды включения отопительных или других приборов, для переключения тарифов счетчиков электроэнергии или счетчиков оплаты телефонных разговоров (в дневное и ночное время тарифы разные), наконец, для передачи сигналов о пожаре и любых других сигналов.
91
Завершая разговор об автоматизации систем управления, особо подчеркнем, что без автоматизации управления производством (АСУП) невозможно осуществить комплексную автоматизацию. Ритмичная работа целиком автоматизированного предприятия или цеха возможна лишь в том случае, если своевременно проводится' контроль поступления и расхода деталей, полуфабрикатов и сырья на складе предприятия, анализируется ход производства, контролируется план кооперации и отгрузки готовой продукции. Для этого на среднем машиностроительном заводе, например, за год обрабатывается около 1 млрд, первичных показателей, подготавливается около 150 тыс. чертежей и до 300 тыс. операционных карт. Если эти данные обрабатывать вручную, то нужную информацию для принятия решения руководители будут получать с запозданием, возникнут простои оборудования, производство разладится. Лишь быстрая обработка данных с помощью ЭВМ, действующих в системе АСУ, решает проблему. Анализ деятельности АСУ в машиностроении показал, что их внедрение повышает коэффициент загрузки оборудования в среднем на 5...7%, сроки выполнения заказов — на 20...30%, и позволяет сократить неоправданные запасы сырья, деталей и т. д. на складах предприятия на 15...25%. Все это дает высокий экономический эффект. Например, на Минском тракторном заводе, годовой экономический эффект от внедрения АСУ составил 1,5 млн. рублей.	,
И хотя стоимость вычислительной техники составляет дот вольно значительную часть от общей суммы затрат на создание нового предприятия, автоматизация управления производством Себя оправдывает и сравнительно быстро окупается.
У Контрольной кассы, обслуживаемой одним кассиром, магнитные кдр^очки вставляются в специальный кассовой аппарат, и ЭВМ, мгновенно «прочитав» карточки, выдает,,чек, на котором проставлены наименования и цена всех купленных товаров. Покупатель платит деньги и покидает магазин.
Интересно, что и заполнение автоматов товарами управляется тоже ЭВМ и эта операция занимает несколько человеко-часов. Цены автоматически проставляются на каждой упаковке. .Весь вал, где установлены автоматы, обслуживают всего 5 человек.
Если нужно обменять или возвратить ненужный товар, «выданный» автоматом, то покупателю приходится обращаться к служащим, и это, конечно, требует затраты времени,
92
Глава 6.
ТЕЛЕМЕХАНИКА —УПРАВЛЕНИЕ НА РАССТОЯНИИ
В наше время, в век научно-технической революции, всюду, где применяются машины и механизмы, ученые стремятся внедрить автоматическое управление. Оно применяется не только в промышленности, но и на транспорте, в энергетике и даже при управлении полетом ракет, искусственных спутников Земли и, конечно, космических кораблей.
Вывод корабля на расчетную орбиту или приземление его— задача исключительно сложная. Еще более сложным является управление движением межпланетных автоматических станцйй или спуск на поверхность Луны луноходов проведение с их помощью сложнейших научных экспериментов. Трудность состоит, в частности, в том, что исполнительными механизмами, всем комплексом технических средств космических посланцев нужно руководить с Земли, т. е. на огромном расстоянии.
Разрабатывает принципы управления объектами па расстоянии и создает устройства, с помощью которых осуществляется это управление, а также связь между территориально удаленными объектами, особая область науки и техники — телемеханика.
Телемеханика — родная сестра автоматики. Пример наиболее распространенного телемеханического устройства — автоматические телефонные станции (АТС). Набирая номер телефона, вы посылаете электрические импульсы на АТС, и автомат производит соединение с абонентом.
Прежде чем. подробнее говорить о применениях телемеханики, напомним* что существуют два вида управле
93
ния на расстоянии: дистанционное и телеуправление.
Когда осуществляется дистанционное управление, то на каждую операцию, на каждую управляющую цепь выделяется своя линия связи. Предположим, имеется 5 лампочек, каждую из которых нужно зажигать* и гасить независимо от остальных. Для этого потребуется 6 проводов (5 прямых — по числу лампочек и один обратный — общий). Понятно, такую систему целесообразно использовать лишь на незначительных расстояниях, в пределах, например, одного завода, иначе она окажется слишком дорогой, да и пе очень надежной.
При телеуправлении, наоборот, по одной линии связи передается несколько сигналов, причем передающее устройство автоматически выбирает нужный сигнал и объект, которому предназначена команда. Автоматический выбор (селекция) пути распространения сигнала — один из основных признаков телемеханических устройств. Схемы селекции очень сложны, но представления о их работе можно получить на таком примере. Пусть по каналу связи. передаются три сигнала: первый частотой 5 кГц, второй — 10 и третий — 15 кГц. На другом конце линии включены три приемника, каждый из которых настроен соответственно па 5, 10 или 15 кГц. Когда оператор передает сигнал частотой 5 кГц, его принимает только первый приемник, остальные на него реагировать пе будут и т. д. Такой вид селекции называется частотной селекцией. Кроме него., применяются и другие виды селекции.
С двумя областями применения телемеханики — с телемеханическим контролем и регулированием вы уже знакомы. Остановимся теперь на использовании телемеханики для управления на расстоянии.
Наиболее широкое применение телемеханика получила в энергосистемах — для управления с единого диспетчерского пункта сложным комплексом электростанций, подстанций и линий электропередач. В 1940 г. были построены первые гидроэлектростанции, управляемые на расстоянии, на канале им. Москвы, а в конце . 1965 г. вступила в строй крупнейшая в мире Единая энергетическая система европейской части СССР с центральным диспетчерским пунктом в Москве, оборудованным сре -ствами телемеханики. Недавно частью Единой энергети
94
ческой системы страны стала энергетическая система Сибири. Но и те энергосистемы, которые пока работают самостоятельно, также оборудованы средствами телемеханики, а большинство малых гидроэлектростанций управляются на расстоянии и работают либо совсем без дежурного персонала (полностью автоматизированные ГЭС), либо дежурный персонал непосредственно в управлении ГЭС не участвует, а лишь наблюдает за работой агрегатов, производит их осмотр, ремонт и т. д.
Широко применяется телемеханика в нефтяной и газовой промышленности. На нефтепромыслах устройствам телемеханики поручены контроль и управление нефтяными, водозаборными скважинами, по которым закачивают воду в пласт, а также нефтесборными пунктами, компрессорами, очистительными и другими устройствами. Без телемеханики невозможна была бы нормальная работа магистральных трубопроводов, протяженность которых достигает нескольких тысяч километров. Телеуправление задвижками, отсекателями, кранами, передача служебных аварийных и других сигналов — все это осуществляется с помощью многочисленных приборов и аппаратов по радиорелейным и кабельным линиям связи, протянувшимся вдоль нефтепроводов.
Без устройств телемеханики не обходится также железнодорожный транспорт. На электрифицированных дорогах применяется телеуправление системой электроснабжения, в частности тяговыми подстанциями, которые теперь почти полностью автоматизированы. Широко внедрено телеуправление стрелками и путевой сигнализацией (диспетчерская сигнализация).
Применяется телемеханика также для получения и передачи метеорологических данных в гидрометеоцентры и на метеостанции, где по ним составляются прогыоаы погоды. Сотни метеостанций в разных районах страны несколько раз в день запускают в небо радиозонды., которые передают метеорологам данные о состоянии атмосферы. Кроме радиозондов, широко применяются автоматические геофизические ракеты, долговременные автоматические радиометеорологические станции, оставляемые в океане, во льдах или в горах и в течение длительного времени посылающие радиосигналы о погоде в данном месте. Наконец, вошли в арсенал службы погоды метеорологические спутники Земли.
95
Информацию, необходимую для предсказания погоды, метеорологи и синоптики получают со спутников Земли «Метеор». Только на протяжении одного витка собираемая спутником информация в 100 раз превышает информацию, которую дают все метеорологические станции земного шара. А ведь число таких станций сейчас превышает 10 тысяч!
По радиокоманде с Земли метеорологический спутник передает серии радиосигналов, которые после приема превращаются в ... фотографию земной поверхности. На ней видны облачные системы, соответствующие циклонам, теплым и холодным фронтам. Приняв несколько фотографий со спутника, синоптики получают возможность проследить весь ход развития облачной системы от зарождения до разрушения.
Но снимки Земли из космоса важны не только для метеорологов. Хорошо известно, что разные тела по-разному отражают падающие на них лучи. Это справедливо и для разных участков земной поверхности. Иными словами, коэффициенты яркости этих участков неодинаковы, и это четко видно на фотографиях со спутника. Расшифровка их позволяет сделать выводы о водных запасах озер, водохранилищ, рек, о видах лесных пород и запасах древесины в лесах, о размерах и качестве пастбищ, о состоянии посевов и т. д., составить структурно-геологические, почвенные, ландшафтные карты Земли, карты грунтовых вод и многие другие.
Вся информация подобного рода, получаемая из космоса, имеет большую не только научную, но и экономическую ценность. Об этом можно судить по такому примеру. Проект прокладки одного из тоннелей на трассе Байкало-Амурской магистрали был изменен согласно той информации, которую содержали в себе снимки из крсмоса. Экономический эффект от этого «уточнения» трассы составил несколько миллионов рублей.
Средствами автоматики и телемеханики, которыми оборудованы спутники Земли, удается значительно уменьшить ущерб, который приносят лесные пожары. Причиной их часто являются грозы, и если в течение 5—10 ч не принять действенных мер, то погибают большие лесные массивы. Установленная на спутнике инфракрасная ацпара-тура обнаруживает пожары по температурному контрасту, а телевизионная — по шлейфу дыма. Эта информация не-
96
медленно поступает на Землю и позволяет сразу начать борьбу с огнем.
В последнем примере речь шла о принимаемом аппаратурой спутника излучении, так сказать, искусственного происхождения. Но уже давно установлено, что Земля как космическое тело излучает электромагнитные волны самой различной длины. Обнаружить, а затем изучить это излучение удалось с помощью приборов, заброшенных в космос ракетами или доставленных туда искусственными спутниками Земли. Еще в 1958 г. ученые Физического института им. П. Н. Лебедева АН СССР впервые в мире исследовали излучение Земли в космосе приборами, поднятыми на высоту около 500 км ракетой. На ней был установлен радиометр инфракрасного излучения с полем зрения всего в 0,1 градуса. Это позволило получить пространственную структуру теплового излучения Земли и атмосферы. Уже тогда были обнаружены слоистая структура излучения верхней атмосферы и угловое распределение' теплового излучения Земли. Позднее было установлено, что тепловое излучение пижпой атмосферы позволяет судить о структуре и высоте облачности, о погодообразующих факторах. Не случайно метеоспутники. «Метеор» имеют также приборы так называемой инфракрасной службы.
Следует особо подчеркнуть еще один аспект важности подобной информации, доставляемой на Землю средствами радиотелемеханики. Мы имеем в виду проблему охраны окружающей среды. Изучение всего спектра инфракрасного излучения атмосферы позволяет судить о ее составе, о присутствии в атмосфере паров Н2О, СО2, СО, NO, СН4 и т. д. Содержание некоторых из этих компонентов благодаря бурному развитию промышленности и транспорта не остается неизменным. С помощью аппаратуры, установленной на спутниках, ученые уже сейчас имеют возможность судить об изменениях состава атмосферы Земли, определять районы, где допускается постоянное загрязнение воздушного бассейна.
Сейчас интенсивно создаются системы контроля за состоянием воздушной среды в крупных городах. Датчики, установленные на перекрестках с интенсивным уличным движением, вблизи крупных предприятий, с помощью средств телемеханики будут передавать сведения о составе воздуха в центральный диспетчерский пункт, и ЭВМ этого пункта, обработав их, выдаст информацию об экологической
4 Заказ 3923	97.
обстановке в разных районах города. Это позволит вовремя принять меры: изменить потоки транспорта, повысить эффективность устройств очистки воздуха промышленных предприятий и т. д. Предусматривается и непрерывный контроль за состоянием, чистотой воды в реке или-озере, находящихся в черте города или в непосредственной близости от него. Разумеется, и этот контроль будет телемеханическим. Наконец, для контроля загрязнений морей и океанов разработаны и уже продуманы специальные буйковые станции, автоматически посылающие сигналы об экологической обстановке в месте нахождения буя, причем связь с центральным пунктом осуществляется через искусственный спутник Земли. С помощью спутника Земли проводится определение скорости океанских и морских течений, электропроводности и солености воды, скорости ветра, температуры и влажности воздуха, и такая совместная работа буйковых станций и электронной аппаратуры спутника позволяет получать наиболее полную информацию о состоянии моря. Эта система была-опробована учеными Морского гидрофизического института АН СССР и результаты были получены обнадеживающие. Во время эксперимента на Черном море были использованы автоматические буйковые станции, приемно-управляющий радиоцентр, вычислительный центр института и искусственный спутник Земли «Космос-426».
Вообще, исследование Земли, околоземного космического пространства, а также планет солнечной системы с помощью автоматических аппаратов оказалось возможным лишь после того, как телемеханика и, конечно, автоматика стали подлинно научными дисциплинами, имеющими детально ^разработанную теорию и солидную техническую базу. ,С другой стороны, запуски искусственных спутников Земли и особенно полеты космических жораблей дали новый толчок развитию телемеханики и автоматики. За короткий срок, отделяющий нас от полета Ю. А. Гагарина в 1961 г., эта часть космической техники изменилась радикально.
Новый этап космической телемеханики начался 17 ноября 1970 г., когда автоматическая станция «Луна-17» совершила мягкую посадку на поверхность Луны и началось путешествие «Лунохода-1». Им управляли с Земли с помощью средств телемеханики на расстоянии около 400 тыс. км.
98
Многодневная работа на орбите космической исследовательской станции «Салют» с экипажами на борту, посещение ее космическими кораблями с интернациональными экипажами, «визиты» транспортных кораблей «Прогресс» — все эти достижения космонавтики стали возможными благодаря безупречной работе средств. телемеханики и автоматики.
Влияние всевозможных автоматических устройств на развитие техники, промышленного производства из года в год возрастает/ Большую роль в этом играет телемеханика — непременная спутница автоматики. Именно она помогает автоматическим устройствам, находящимся порой за сотни и тысячи километров друг от друга, «общаться», и не только «общаться», но и согласованно работать. В этом состоит одна из важнейших функций телемеханики в современной технике.
Глава 7.
КОМПЛЕКСНАЯ АВТОМАТИЗАЦИЯ
(Титая ЭТУ книгу, вы, наверное, убедились, что авто-^матиаировать можно как отдельные элементы йроиз-водственного процесса, так и весь процесс в целом. В первом случае автоматизация носит название частичной, во втором — полной, комплексной.
Полная, комплексная автоматизация представляет собой высшую форму производства.
Суть ее состоит в том, что все основные и вспомогательные операции осуществляются совокупностью автоматических машин и агрегатов, включая и транспортирование изделий, объединенных общей системой управления.
Но прежде чем на конкретных примерах познакомить вас с техническим арсеналом этой формы производства, отметим, что автоматизация сейчас начинается раньше заводского цеха, еще на стадии технической подготовки производства.
МАШИННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИ-АВТОМАТЫ
Термин «машинное проектирование» ныне известен широко. Под проектированием понимают процесс разработки технической документации — проекта. Это наиболее трудоемкая часть подготовки производства. Иногда сложность проектируемых^ объектов бывает так велика, сроки изготовления проекта так затягиваются, что новое изделие.,^ началу производства морально устаревает.
100 ..
Все это требовало ломки сложившейся в течение десятилетий практики проектирования. Сейчас все шире начинают применяться вычислительные машины для автоматизации проектирования. ЭВМ передается выполнение многих сложных и трудоемких работ (предварительные расчеты, анализ вариантов, сравнения с существующими аналогичными изделиями и т. д.), аза проектировщиком остаются процессы творческие (принятие решений, оценка результатов, изменение хода проектирования и др.). Кроме того, он составляет для ЭВМ алгоритмы процессов проектирования и отлаживает их. Процесс этот трудоемкий, но конечный результат окупает затраченное время и труд специалистов-разработчиков машинных методов проектирования.
ЭВМ, как известно, выдает результаты в виде таблиц из цифр. Если же ЭВМ использовать в комплексе с быстропечатающими устройствами и чертежными автоматами, то наряду с таблицами можно получать готовые чертежи. Сейчас с помощью ЭВМ создаются сложные монтажные схемы, технологические карты, чертежи деталей и т. д.
Машинное проектирование резко сокращает сроки выполнения проектных работ. Так, если райыпе на разработку чертежей новых железобетонных конструкций затрачивали несколько недель, то ЭВМ позволяет сделать эту работу за несколько часов.
В судостроении опробована система машинного проектирования судов, начиная с составления технического задания и кончая выдачей готовых чертежей.
Мы говорим о применении ЭВМ в проектировании. Но вот парадокс: Сами ЭВМ йоследнего поколения почти невозможно создать без машинного проектирования. Нужна настолько сложная техническая документация^ что вручную ее фактически нельзя выполнить. Кроме того, согласитесь, трудно не допустить ошибки при изготовлении фотооригинала небольшой печатной платы па 5..-.10"тыс. электрических соединений. А если применить ЭВМ; то, во-первых, исключаются ошибки, а во-вторых, работа ускоряется в 20 раз.
На Украине, в Институте кибернетики АН УССР создали первую автоматизированную^ систему проектирования Самих ЭВМ, которую использовали при разработке машин серии «Мир», «Днсйр» и др. Создана и универсальная автоматизированная система проектирования
.101
«Проект-1» (на основе ЭВМ типа М-220) и более мощная, двухмашинная с М-220 и БЭСМ-6. Эти устройства используются для разработки самых разнообразных проектов. Проектанты, работая па них, могут на специальном экране видеть разрабатываемое устройство, вносить в, него поправки, выделять определенные части изображения и т. д. Преимущества проектирования при помощи вычислительных систем здесь проявляются особенно ярко.
Но вот проект изделия готов. Теперь надо разработать технологию этого изделия,’ т. е. наиболее экономичный процесс его изготовления, полностью отвечающий техническим требованиям. Информация, которая формируется при технологической подготовке производства, используется — и это очень важно — в качестве исходной в АСУП, т. е. без вое невозможно само производство.
Метод разработки технологии для каждой отдельной детали спроектированного изделия, применяемый пока довольно часто, требует много времени. Гораздо более экономична разработка типовой и групповой технологии.
Типовые технологические процессы применяются в крупносерийном и массовом производстве. Для обработки деталей определенного класса типовой технологический процесс содержит указание о методах обработки этих деталей, о последовательности операций и переходов.
Групповые технологические процессы применяются в мелкосерийном производстве. Они разрабатываются для группы деталей, каждая из которых имеет свое назначение, но может обрабатываться по единой технологии, на одних и тех же станках — наравне с другими, не похожими па псе деталями. В одну группу обрабатываемые детали объединяются по однотипности заготовок, общности поверхностей, подлежащих обработке, по точности
Коротко oti интересном. Эффективность автоматического проектирования. Возрастание сложности объектов, проектируемых коллективами конструкторских бюро и институтов, естественно увеличивает сроки выдачи готовых чертежей. Это приводит к моральному старению технических решений. Применение в проектировании математических методов и ЭВМ повышает технический уровень, качество проектов, сокращает сроки конструирования и освоения новой техники.
Если раньше для создания повой модели автомобиля требовалось 2...3 года, то применение ЭВМ позволило сократить этот срок до 8...12 месяцев. Время конструирования и доводки*самолетов и ракет при использовании ЭВМ сократилось в 2...3 раза,
102
и качеству обработки и т. д. Разработанный для группы деталей технологический процесс при переходе с обработки одной детали на другую требует лишь небольших изменений, что весьма важно для повышения экономичности производства.
На Горьковском заводе фрезерных станков освоено более 250 типовых технологических процессов, по которым обрабатывается 46% выпускаемых деталей, а на Уральском заводе тяжелого машиностроения этот процент доведен до 85. Трудоемкость разработки технологических процессов снизилась на 30.:.40%.
И все же жизнь потребовала дальнейшего совершенствования методов разработок технологии. Крупнейшие заводы страны стали внедрять автоматизированное проектирование технологического процесса с применением ЭВМ. Более того, накопленный в промышленности опыт позволил приступить к созданию Единой системы технологической подготовки производства (ЕСТПП), которая как бы объединила в себе все передовое, что есть в разработанных уже автоматизированных методах подготовки технологии. Дело это новое, но перспективы огромны. Использование автоматических систем для разработки технологии не только дает выигрыш во времени, но и улучшает конструкцию и качество изделий, позволяет максимально загружать станочный парк предприятия, а кроме того, создает лучшие условия для внедрения на предприятиях комплексной автоматизации.
ТРИ ФОРМЫ КОМПЛЕКСНОЙ АВТОМАТИЗАЦИИ
А теперь побываем в цехах предприятий и посмотрим^ какими путями идет внедрение комплексной автоматизации непосредственно в изготовление продукции. Вначале
а подготовка производства — в 3...5 раз. При этом затраты уменьшаются более чем наполовину.
Все это привело к созданию САПР — систем автоматического проектирования, в которых автоматизации подвергаются все стадии — от первых наметок контуров изделий или машин до технологической подготовки производства.
В нашей стране САПР создаются по плану, разработанному Государственным комитетом по науке и технике СССР. В девятой пятилетке созданием САПР занимались 40 проектных и конструкторских организаций, в десятой в эту работу включились еще 47 организаций.
103
остановимся на производствах, продукция которых исчисляется миллионами штук изделий, т. е. является продукцией массового применения.
По проекту НИИтракторсельхозмаша- в Краснодаре создан завод-автомат для производства втулочно-роликовых цепей. На заводе действуют семь комплексных автоматических линий, изготавливающих детали цепей, четыре сборочные автоматические линии и два автоматизированных участка.
Автоматическая линия — это система производственных автоматов, расположенных в технологической последовательности и связанных автоматическими транспортно-загрузочными устройствами. Согласованная работа всех станков линии обеспечивается единой системой управления. Причем если управление осуществляется из одного места командами единого управляющего устройства^ то такая линия называется линией с жесткой связью между станками и отказ одного станка останавливает все -остальные. При децентрализованном управлении включение очередного станка происходит при подаче на него заготовки. Если какой-либо станок отказал$ то, пока наладчики пускают его в ход, остальные, станки продолжают работать, «складывая» детали на автоматические транспортеры-накопители. Это значительно . повышает производительность линии.
На заводе-автомате в Краснодаре, о котором говорилось выше, за первый год работы было изготовлено 4700 км цепи. Контроль качества, учет изготовленной про^ дукции, учет выполнения плана на заводе-автомате полностью автоматизированы.
Другой, пример. На Люберецком заводе сельхозмашин им. Ухтомского работает цех-автомат по производству пресс-масленок. Автоматическая линия цеха, имеющая ответвления, изготавливает корпуса масленки из листовой стали, на другой линии происходит цинкование корпуса масленки, а на автоматизированном участке изготавливаются пружины шарикового клапана и происходит сборка масленки. Обе линии и участок сборки соединены между собой автоматическим транспортером. За год цех-автймат изготавливает 40.0 мли. пресс-масленок. .
Оба приведенных примера относятся .к так называемой предметн ой комплексной автоматизации. Она стремительно расширяется. Вначдле комплексно -автоматик
104 ,
зируется изготовление относительно простых изделий, таких, как названные выше цепи, масленки, а также режущих аппаратов комбайнов, гидроцилиндров, карданных передач, колес, фильтров и т. д., а затем — более сложных: муфт сцепления, коробок перемены .передач, топливных насосов, редукторов и др.
Несколько проще комплексно автоматизировать изготовление не всего изделия, а отдельных деталей, или осуществить, как говорят специалисты, детальную комплексную автоматизацию.
В машиностроении сейчас широко проводятся специализация производства и унификация узлов, механизмов, деталей массового потребления. Это позволяет наладить в одном месте изготовление той или иной детали и снабжать ею все предприятия отрасли. К таким унифицированным деталям относятся поршни, клапаны, вкладыши подшипников, шестерни, шлицевые валы, пружины, болты, гайки, коленчатые валы — всего не перечислишь.
На заводе «Ждаиовсольмаш» еще в 1970 г. начала работать автоматическая линия изготовления зубьев бороны. На 5той линии автоматизированы все операции, начиная от рубки заготовки, холодной высадки фланца, накатки резьбы, термообработки и кончая консервацией и укладкой зубьев в тару. В год линия выдает 15 млн. зубьев. " \
Наконец, \есть третья форма комплексной автоматизации —те х ,н ологическая, когда полной автоматизации т^двергается какой-либо один технологический процесс, например гальванические покрытия, окраска, термообработка, производство отливок, поковок и т. д* Примерами внедренной комплексной автоматизации этой формы служат, например, линии окраски на Винницком заводе тракторных агрегатов, Мелитопольском заводе «Гидромаш», па ВАЗе и др. А на Ногинском и других заводах топливной аппаратуры работают автоматические линии химический обработки и гальванического покрытия, на Тамбовском заводе подшипников скольжения — линии лужения подшипников и т. д.
Технологические комплексно-автоматизированные линии со временем вливаются, встраиваются в системы машин и линий предметных и детальных комплексно-автоматизированных производств. Это расширяет охват комплексной автоматизацией предприятия и служит предпо
105
сылкой того, что весь завод, все предприятие станет комплексно-автоматизированным.
По конструкции автоматические линии делятся на две категории: специальные и специализированные. Специальные линии создаются из станков оригййаль-ной конструкции Переналадка линии выпуска одной детали па другую может вызвать существенное изменение конструкции самой линии и даже замену большого числа станков. Обходится это дорогой ценой. Поэтому такие линии создаются для производства изделий, которые будут нужны долгое время.
А линии специализированные как бы заранее нацелены па выпуск разнообразных изделий, правда, какой-то определенной категории. Комплектуются такие линии из агрегатных станков/станков широкого назначения, из многопозиционных станков, автоматов и полуавтоматов со специализированной оснасткой, с ав^ тематическими зажимами, устройствами для "загрузки и снятия деталей, наконец, из легко переналаживаемых станков с программным управлением.
РОТОРНАЯ ЛИНИЯ
К специализированным линиям относятся так называемые роторные линии. В осуществлении комплексной автоматизации они исключительно ^перспективны. В роторном автомате деталь и инструменты для ее обработки располагаются на барабане (роторе) и вращаются вместе с ним. Как же происходит обработка детали?
Как только деталь оказывается закрецленной на роторе, инструменты, «нацеленные» на нее, уже готовы действовать. Поворачивается ротор вокруг своей оси — инструменты получают сигнал от специальных приспособлений-ползунков — и начинают обрабатывать деталь. Совершил ротор полный оборот — производственная операция завершена. Специальные захваты, смонтированные на со-седнемл так называемом транспортном роторе, принимают деталь и передают ее другому рабочему ротору для производства следующей операции. Так деталь переходит от одного вращающегося ротора к другому, пока ротор, стоящий в конце линии,, не выдаст готовое изделие.
Роторные линии оказались очень удобными для из
106
готовления пластмассовых изделий методом прессования. Вот одна из таких линий.
...Пресс-порошок, состоящий из пластмассы с некоторыми добавками, для изготовления детали поступает па первый ротор линии и делится на равные порции. Он ссыпается в специальные гнезда, где под давлением в 50... 70 МПа спрессовывается в стандартные таблетки. Транспортный ротор подает их в ротор предварительного нагрева, где они разогреваются до температуры 120... 140 °C и специальными толкателями подаются в прессовочные формы ротора прессования. Когда таблетка оказывается в матрице, опускается пуансон, и под давлением в 25 МПа таблетка принимает форму будущего изделия. После того как пластмасса застывает^ изделие переносится на ротор механической обработки, где с изделия снимаются заусеницы, а затем — на конвейер проверки качества и упаковки.
На роторной линии, о которой мы рассказали, можно одновременно изготавливать четыре разных изделия, причем ли^ия легко перестраивается па выпуск изделий другой формы и массы. Производительность такой линии до 17 млн. изделий в вод — в 6—10 раз больше, чем у гидравлических прессов, применявшихся раньше для прессования пластмассовых изделий. При этом вся роторная лйния, состоящая из 5 рабочих роторов, занимает площад^, в 3 раза меньшую, чем 6—7 гидравлических прессов той же производительности.
Роторные машины используются и в производстве изделий из керамики, металлокерамики, тонкого металлического листа, а^ также для изготовления различной фурнитуры, печатных радиосхем, резисторов, выпрямителей и др. На Ульяновском моторном заводе успешно работают роторные токарные автоматы для изготовления поршней. Если хотя бы один инструмент дает брак, загорается сигнал вызова наладчика. Производительность станка 300...400 поршней в час, отклонения от заданных размеров не более 15 мкм.
В приведенном примере речь идет о механической обработке изделий, в данном случае поршней. А я целом автоматические линии механической Обработки в ведущих отраслях машиностроения составляют примерно половину всего парка линий. В 1974 г., например, в автомобильной промышленности насчитывалось 413 ав-
107
тематических линий механической обработки (46,5% всех линий), а в тракторном и сельскохозяйственном машиностроении — 367 линий (52,6%). В производстве подшипников 70% автоматических линий заняты механической обработкой. Если говорить в целом о трудозатратах, то около 40% их в машиностроении идет на механическую обработку.
Что стоит за этими цифрами? Почему приходится так много сверлить, строгать, фрезеровать, растачивать и т. д.? Почему каждые 4 человека из 10 в машиностроении заняты механической обработкой деталей? Однадаз причин — увеличение номенклатуры изделий, вызванное прогрессом во всех областях техники, особенно в самолетостроении, приборостроении, оборонной промышленности, производстве бытовой техники и т. д.
Кроме этого, для обеспечения высокого качества продукции приходится выпускать много опытных, экспериментальных и учебных машин. Таким образом, промышленность должна оперативно, быстро переходит^ на новую продукцию. А как же быть с автоматизацией,/с автоматическими линиями, доставляющими из-за Переналадки много хлопот? Автоматические линии действуют и будут внедряться там, где производство деталей, блоков, изделий действительно исчисляется в миллионах штук. Правда, и для автоматических линий придумали частичный выход.. Помните, мы говорили о специализированных линиях, укомплектованных агрегатными ^танками, позволяющими осуществлять выпуск разнообразных изделий? Расшифруем теперь название этих Станков.
ч Агрегатный станок имеет свой принцип построения: он собирается из стандартных узлов — агрегатов. В случае поломки какого-либо агрегата или при переходе на выпуск другой продукции производится замена некоторых агрегатов.
Но все же специализированные и многопредметные автоматические станки и линии в мелкосерийном, производстве нужных результатов не принесли. Слишком уж много времени уходило на создание крайне сложной оснастки и инструмента, разработку автоматизированного процесса: из-за этого производство образца затягивалось надолго и изделие к. моменту выпуска морально устаревало. Заводы от подобной автоматизации отказывались и... продолжали точить, сверлить^ строгать детали на
10S-
универсальных станках, управляемых людьми. Профессия станочника стала дефицитной, рабочих рук не хватало.
Но на универсальных станках, на которых рабочий может делать разные детали даже с применением интенсивных режимов резания, нельзя добиться большой производительности труда. Ученые подсчитали, что лишь 14% времени затрачивается на эффективную работу, а остальные 86%, по сути дела, составляют потери (подготовка инструмента, установка детали, опробование и т. д.).
И снова на выручку пришли вычислительные машины.
СТАНКИ С ЧИСЛОВЫМ ПРОГРАММНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ
Термин «станок с ЧПУ», т. е. станок с числовым программным управлением, сейчас известен каждому. Требование всемерно расширять выпуск таких станков было записано в планах девятой и десятой пятилеток и оно неукоснительно выполняется.
.Что же представляет собой станок с ЧПУ? Что он может? Специалист ответит лаконично: станок самостоятельно с высокой точностью и производительностью сверлит, растачивает и фрезерует сложную корпусную деталь. Подачи изменяются бесступенчато. Шпиндельная головка и салазки стола зажимаются в установленном положении автоматически. Обороты шпиндельной головки также включаются автоматически. Режущий инструмент, предварительно настроенный и выверенный, закрепляется в конусе шпинделя электрогидравлическим способом... Станочника у станка заменяет система управления. Вот, собственно, и все. Но если вдуматься — как велика дистанция, разделяющая станок с ЧПУ и универсальный токарный станок. Вы, наверное, уже догадались, что если станок управляется ЭВМ, то изменение его программы, закладываемой в эту ЭВМ, позволяет легко переходить на выпуск другого изделия. Иными словами, станок с ЧПУ универсальный, но уже в ином, более высоком смысле этого слова.
Итак, станком управляет вычислительная машина по программе, составленной технолргом-программистом. На основании чертежа и технологии обработки детали
109;
он готовит технологическую информацию, которую затем математически обрабатывают, кодируют на перфоленте и корректируют после обработки пробной детали. Такое программирование называется ручным, оно применяется при обработке простых по форме деталей. А для изготовления сложных деталей программа составляется с помощью ЭВМ.
Система автоматического программирования очень эффективна. В память ЭВМ заложен в виде специальной числовой программы передовой опыт рабочего и технолога, полученный при обработке того или иного изделия, скажем, вручную. Машина в короткий срок, опираясь на эти данные^ сама разрабатывает программу работы станка с ЧПУ. Технолог-программист лишь описывает форму, размеры и точность изготовления детали, указывает материал и т. д. При этом программист не заботится о том, какой режим работы, какую последовательность операций нужно выбрать — это сделает вычислительная машина, лишь бы она имела необходимые данные для своей работы. Получив эти данные, ЭВМ за несколько десятков секунд определяет тип инструмента, его размеры, места закрепления и весь рабочий технологический процесс обработки. ЭВМ сама вычисляет, сама пробивает отверстия в перфоленте, печатает всю программу управления и все данные для наладки станка. Наиболее простая запись Программы — в виде отверстий, число которых равно числу «действий», которые должен выполнить станок. Если применяется числовой метод записи, то программа выполняется в форме отдельных закодированных сигналов. Их легко можно записать на магнитную ленту. Но и программу, записанную на перфоленте, можно переписать на магнитную ленту. Каждый станок имеет устройство .управления, в которое вкладывается магнитная лента (или перфолента), и по сигналам, записанным на ленте, станок выполнит всю работу, предусмотренную программой.
Об эффективности станков с ЧПУ можно судить по такому примеру. Сложный копир для обработки турбинных лопаток на обычном универсальном станке рабочий делает за 15 дней, станок с ЧПУ справляется с этой работой за 4 ч. На обработку судового гребного винта обычно тратилось 200...300 ч, а на станке с программным управлением — в 5 раз меньше.
НО
Познакомившись с тем, что рассказано о станках с ЧПУ, вы, вероятно, решили, что такие станки работают в одиночку и не приспособлены для коллективной работы на автоматической линии. Оказывается, это не так. Накопив опыт работы со станками с ЧПУ, ученые пришли к выводу, что их тоже можно объединять в комплексные пр( изводственные участки и даже автоматические линия, которыми управляет ЭВМ.
Посетим один из таких заводов—завод «Стапкоконструк-ция», на котором создан автоматический участок из станков с ЧПУ с групповым программным управлением. На участке имеется 10 станков с ЧПУ (фрезерно-центровальный, токарные центровые автоматы, вертикально^ фрезерные, вертикально-Сверлильйые и т. д.), система группового числового программного управления с помощью упрощенных пультов у каждого станка, транспортнонакопительная система, оборудование снабжения инструментом, подающее инструменты к стайкам и, наконец, ЭВМ, вернее, даже две ЭВМ (одна из которых малая), направляющие работу всего участка и выполняющие также диспетчерские функции и учет.
В устройстве управления, имеющемся, как отмечалось, у каждого станка, есть так называемые накопители управляющей информации на магнитной ленте. По сути дела, это магнитофоны, которые записывают электрические импульсы управления, подготовленные ЭВМ (как это делается, мы рассказали выше). Запись этой программы в накопитель происходит при обработке первой детали партии. Когда программа оказалась в накопителе, ЭВМ отключается и Дальше станок работает по программе, записанной в накопителе. Устройство станочного управления усиливает сигналы, считываемые с накопителя (при движении магнитной ленты) и выдает их на исполнительные органы станка.
Около каждого станка установлен пульт связи с диспетчером. Станочник выполняет указания диспетчера и сам в свою очередь сообщает диспетчеру и ЭВМ об окончании обработки очередной партии деталей, передает заявки на режущий инструмент, сообщает о незапланированных простоях оборудования и т. д.
На этом участке из станков с ЧПУ обрабатываются валы, гильзы, фланцы, диски, кулачки, эксцентрики и другие детали. Благодаря тому что ЭВМ управляет и
111
составляет программы работы всех станков и координирует их работу, загрузка участка выпуском изделий мелкими сериями позволяет повышать производительность таких станков по сравнению со станками, работающими обособленно.
Такие же преимущества показала и комплексная автоматическая линия, состоящая из резьбонарезных и сверлильных станков и обрабатывающих центров, оснащенных устройствами автоматической загрузки- и управляемых ЭВМ. Обрабатывающие центры — это пятикоординатные, довольно сложные станки, обеспечивающие перемещение заготовки по трем осям, поворот стола, делительный поворот горизонтального патрона и т. д. Все это оборудование также работает по сигналам вычислительного центра, но при необходимости каждый обрабатывающий центр может быть выключен из линии для индивидуальной работы. Работой монорельсового транспорта (он может накопить 6500 деталей) управляет ; ЭВМ. По командам с пульта управления заготовки доставляются к станкам. Обработанные па станках детали затем автоматически транспортируются на участок окончательной обработки, где их очищают, проверяют автоматическими приборами и покрывают антикоррозийными веществами.
Данная автоматическая линия обрабатывает небольшие партии корпусных деталей, крышек и фланцев к ним размером до 30x30x30 см. Доставка заготовок и их обработка происходит с помощью специальных приспособ-
Коротко об интересном. Родословная станков. Первое приспособление для обработки материалов появилось еще во времена неолита. Оно служило для сверления отверстий в камне.
Гончарный круг — прообраз токарных и карусельных станков — появился 4—3 тыс. лот до и. а. Тогда же стали применяться вращающиеся точильные камни.
Токарный станок с педальным приводом и с прерывистым вращением заготовки был изобретен в XIV в., а в XV в. — токарный станок с непрерывным вращением заготовки.
Станки для расчистки отлитого канала ствола орудий стали применяться в XIV в., а столетие спустя — станки для высверливания канала ствола в целой заготовке.
Зубья шестерен на станках стали нарезать в конце XVII в., а в начале XVIII в. появились станки со сложными механизмами, используемыми для изготовления деталей сложной конфигурации.
В 1738 г. русский изобретатель А. Нартов предложил станок с применением сменных зубчатых Колес для нарезки крупных винтов, а в 1775 г. Джон Вилкййсон изобрёл расточный станок с бортштангой, Имеющей две опоры,л	\
112
лений спутников, которые постоянно сопровождают деталь при ее движении на линии. До начала обработки на линии заготовки проходят подготовительный участок, где производится предварительный контроль отливок на отсутствие внутренних раковин (просвечиванием на специальной установке) и установка на приспособления.
В заключение остановимся на проблеме, имеющей важное значение не только для работы станков с ЧПУ, но и для автоматических устройств и систем.
Как бы безотказно ни действовал автомат, изготовляемые им детали не будут абсолютными «близнецами». Это происходит из-за разной твердости заготовок, износа инструмента, вибраций и другйх незапланированных изменений в процессе работы автомата. Если в изготовленном изделии автоматическое контрольное устройство обнару-жйт те или иные отклонения от нормы, то безжалостно отбросит его в бункер с надписью «брак». Вот почему, когда разрабатывается система управления технологическим процессом, она замышляется но просто как автоматизированная система, а еще и как адаптивная (т. е. приспосабливающаяся).
, Вспомните адаптер звукоснимателя радиолы. Он чутко реагирует на все выступы и впадины звуковой дорожки и передает их усилителю, преобразуя эти толчки в электрические колебания. Примерно то же осуществляется при адаптивном управлении станками. Они оснащаются чув-
Первая автоматическая станочная линия была создана в 1815 г. изобретателем Модели и служила для изготовления корабельных блоков.
Быстрорежущие стали и искусственные абразивные материалы появились еще в конце XIX в., твердосплавный инструмент — в 40-е годы, XX в.
Электропривод в станках получил распространение с 20-х годов XX в., а широкое применение гидравлических устройств в станках началось в 30-х годах.
В 30-е годы появились и многошпиндельные агрегатные станки, а автоматические линии из агрегатных станков — в 40-х годах XX в.
Первый завод-автомат создан в 1950 г. в СССР. Он выпускал автомобильные поршни.
Станки ЧПУ были разработаны в конце 50-х годов, а в середине 60тХ — программные станки с автоматической сменой инструмента.
Наконец, управление станками от ЭВМ стало применяться в начале 70-х годов.
5 Заказ 3928	ИЗ
ствйтельнвтми устройствами, которые контролируют не только оСнбвные режимы работы станка, но й параметры, характеризующие технологический процесс: измеряют силу резания, крутящий момент, мощность, Тейпературу в зоне резания и в других местах системы, деформации, вибрации и т. д. Полученные величины сравниваются в вычислительном устройстве с заданными значениями и в технологический процесс вносится поправка. Эти поправки делают либо сами исполнительные механизмы станка, либо специальные устройства, встроенные в станок.
Отметим, что адаптивное управление внедряется не только в процесс изготовления деталей, но и в автоматизированные сборочные работы, т. е. в создание готовых, функционально законченных изделий.
АВТОМАТИЗАЦИЯ СВОРКИ
Узким местом в деле внедрения автоматизации до последнего времени является сборка готовых машин и изделий. Экономисты^ подсчитали, что на сборку приходится от 10 до 35% всего труда, затрачиваемого на изготовление той или иной машины. Причем преобладает ручной труд (70...80%).
Почему же трудно автоматизировать сборку? Объяс^ няется это прежде всего тем, что сборка представляет собой процесс, выполняемый в пространстве. Собирая изделие, сборщик не раз поворачивает его, зачастую производит подгонку деталей друг к другу, устанавливает крепежные элементы, иногда в самых трудных местах, и производит разнообразные виды соединения деталей. Кроме того, сборка во многом зависит от того, как подаются собираемые детали на рабочее место сборщика. При внедрении первых автоматических линий конструкторы не учитывали требование, которое называется «технологичностью конструкции с точки зрения механизации и автоматизации сборки». На сборочных участках, помимо рабочих-сборщиков, приходилось держать много вспомогательных рабочих, выполняющих в основном работу по доставке деталей, перемещению узлов, т. е. такелажные работы. На тракторных заводах этой нелегкой, да и неинтересной работой занималось более 1/3 рабочих-сборщиков. Сборка стала тормозом в наращивании темна выпуска продукции. Для повышения производительности труда при сбор
114
ке машин был разработан различный механизированный инструмент: пневматический сборочный инструмент, многошпиндельные гайковерты, инструмент с приводом патрона с помощью качающегося рычага и т. д. Потом начали создаваться специальные автоматические линии для сборки небольших узлов, включающих до 20 деталей. Удалось автоматизировать и сборку узлов средней величины: головок цилиндров, водяных насосов, главных передач и дифференциалов легковых автомобилей. Было создано автоматическое оборудование для установки всех видов крепежных деталей, пружинных стопорных колец, для подсчета зазоров и подбора комплекта прокладок. На автоматических линиях механической обработки деталей стали применяться и устройства для сборки некоторых узлов.
Длительные поиски путей автоматизации сборки привели к выводу о том, что сложные агрегаты и приборы нужно конструировать из отдельных блоков или модулей и стремиться к уменьшению числа крепежных деталей. Вместо резьбового крепежа целесообразно применять сварные, клепаные и прессовые соединения. Появление вначале сборочных автоматов, а затем автоматических линий сборки отдельных узлов было крупным и весомым фактором повышения производительности труда на сборке.
Еще в конце 50-х — начале 60-х годов начали делаться попытки применения на сборке программных устройств. Так, на Подольском механическом заводе был спроектирован автомат для сборки швейных машин. Сейчас в нашей промышленности успешно работают полуавтоматы, а также целые линии из них для сборки узлов и изделий массового производства. В конструкцию сборочного автомата обычно входит бункер или магазин с запасом собираемых деталей (эти детали подаются на сборку автоматически по транспортировочному лотку и в ориентированном положении), питательный магазин (он подает: детали в требуемом ритме), устройство взаимной ориентации деталей, механизм сборочного соединения (свинчивающие, прессующие, сварочные устройства), а также система управления автоматом. ,
Есть сборочные автоматы однопозиционные (они собирают простые изделия из 2—4 деталей) и многопозиционные, поворотный стол которых при сборке перемещается на определенный угод и на каждой позиции стола осуще.ст-
5*
115
вляется какая нибудь сборочная операция. Перспективны сборочные автоматы (и целые линии) роторного тинал о работе которых мы уже рассказывали.
РОБОТЫ-М АН ИПУ ЛЯТОРЬГ
Изучая поведение рабочеготсборщика при ручной неавтоматизированной сборке и сравнивая его работу с работой, например, токаря, изготавливающего деталь, ученые обнаружили, что при сборке рука рабочего более подвижна,, выцолняет бо‘лее сложные движения.. Если ее уподобить механизму, то она будет иметь, как говорят специалисты, 27 степеней свободы. Движениями руки управляет мозг, в котором постоянно перерабатывается информация от органов чувств человека и в котором накоплена информация о прошлой работе человека — производственный опыт.	,; л
Нельзя ли создать автомат, который заменил бы руку человека и самостоятельно, производил сборочные работы, например, при бесконвейерной сборке каких-либо узлов, приборов, машин? Оказалось, можно и такие устройства уже внедряются в практику. По разнообразною выполняемых операций они особенно интересны и сложны. Называются эти автоматические помощники человека роботами-манипуляторами.
Но. работа сборщика-робота— это, цожалуй, одна из наиболее сложных- операций, выполняемых такими устройствами. А началось, как всегда бывает при появлении новых технических объектов, с более простого. Поэтому поговорим теперь о роботах вообще, о их принципе действия и роли в осуществлении комплексной автоматизации.	...
Вначале — о самом слове «робот». Полвека назад оно появилось в научно-фантастической повести «RVR» чешского писателя Карела Чапека. Роботами автор назвал механических людей, обладающих невероятно сильным интеллектом, созданных конструкторами для замены живых. людей на заводах и фабриках. После Чапека робот перешел на страницы фантастических романов и рассказов, становясь то злым, то добрым гением человека. В 30-е годы, когда начался период внедрения электроники в Автоматику/ были сделаны попытки создать реальные модели, копирующие движения людей. В основном это
116
были человекоподобные игрушки, иногда наделенные «голосом» и умеющие «ходить». Но это были не те механические куклы, о которых мы рассказывали вам еще в начале книги. Эти чудища были снабжены фотоэлементами вместо «глаз», амперметрами на «груди» и кенотронами вместо «сердца». И лишь в послевоенные годы, когда появились автоматические станки и линии, под роботом стали понимать технические устройства, способные выполнять работу, которую ранее делал человек, причем внешнего сходства и копирования движений человека не требовалось. Роботом иногда называли просто производственный автомат, добросовестно выполняющий ка1 кую-нибудь одну определенную работу.
Наконец, в конце 50-х годов, когда кибернетика пача-ла активно вторгаться в производство и появились станки и группы станков с цифровым программным управлением, роботами стали называть уже автоматы, способные справляться со сложной работой, выполняемой прежде только человеком. Подчеркивали при этом «интеллектуальный» способности вычислительных машин и раЭпообразие заданий, выполняемых станками, управляемыми этими вычислительными машинами. О* йнепшем * человекоподобии в движениях механических ор^аной станков не говорили, ибо этого не было.	=
В последние годы особенно обтро появилась потребность воспроизвести движения человека, работу его рук, создать устройства, которые могли переносить и переставлять детали с одного станка па другой, брать детали с конвейера и ставить их на станок, производить «ручные» операции в опасных для здоровья человека зонах и т.’д. Потребовались устройства, выполняющие человекоподобные движения. Роботом стали называть сложный машинный агрегат, предназначенный для выполнения различных рабочих движений человека. В ряде случаев этот агрегат оснащен устройствами, заменяющими органы чувств человека, системами искусственного интеллекта. Создание такого комплексного агрегата требует применения и развития современных методов теории машин, теории автоматического регулирования, теорий информации, использования методов и средств вычислительной техники. Можно привести десятки примеров применения роботов, для самых различных целей и в самых разных v областях техники: в атомной энергетике^ в промышлен-
117
пости, в медицине, в системе передвижения, для-изучения морских глубин и космоса. Но главное, роботы нужны производству. Их задача — вытеснить полностью человека из операций, недоступных непрерывной технологии: погрузка, разгрузка, сортировка, укладка и т. д_ ,
Остановимся подробнее на применении роботов в целях комплексной автоматизации производства и поговорим прежде всего о роботах-манипуляторах с программным управлением.
Манипулятор — это устройство для воспроизведения двигательных функций руки человека. Он снабжен захватом, подобным кисти человека, и сервоприводами, которые эту механическую руку перемещают. Манипулятор выполняет функции «взять — повернуть — положить».
На заводах нашей страны еще в 50-х годах применялись манипуляторы на операциях свободной ковки. Они удерживали многотонный раскаленный слиток металла и, повторяя движения руки человека, поворачивали его между бойками пресса. Пока это было лишь усиление мышечной силы руки, осуществляемое с помощью различных сервоприводов. А когда удалось движения механической руки направить по наперед заданной программе, то это был уже настоящий производственный робот-манипулятор. Такой робот, установленный у пресса, автоматически загружает и разгружает его, и благодаря этому ряд ранее автономных прессов удалось превратить в автоматическую линию.
Первые роботы были однорукими, они не могли перемещаться и делали несколько простых движений. Затем появились роботы, у которых рука могла поворачиваться в обе стороны, а также вверх и вниз, выдвигаться и вдвигаться в плечо обратно; шарнирное запястье сгибалось в любом желательном направлении и могло удерживать детали массой до 150 кг. Робот заменял до трех человек в смену и благодаря четкому ритму работы повышал производительность труда на 20%. При двухсменной рабочей неделе такой робот окупается за несколько лет, иногда даже за 2...3 года.
Могучие промышленные роботы-манипуляторы, о которых мы рассказываем,— это роботы первого поколения. Они широко применяются для автоматизации самых разнообразных производственных процессов: сварки, ок
118
раски, транспортировки, сборки и г. д. По роботы первого поколения справляются со своими задачами только в хорошо организованной среде: заготовки, грузы, детали, с которыми они манипулируют, должны лежать на определенных местах, а там, куда они их перемещают, должно быть свободное место. Если одну деталь заменить другой, отличающейся по форме или массе, то нужно изменить и программу работы, иначе робот не выполнит ее. И все же сотни промышленных роботов уже делают свое дело на предприятиях СССР, США, Японии, ФРГ и других стран.
Затем появились роботы второго поколения — адаптивные. Слово это вам уже известно. Оцо является признаком того, что автомат обладает гибким поведением, может приспосабливаться к меняющейся среде.
Роботы первого поколения были, как говорится, слепы и лишены осязания. Для составления программ их работы оператор, например опытный сварщик, выполнял работу, которую затем должен будет делать робот. Его движения «запоминались» и записывались на магнитную ленту.По этой программе робот мог потом работать уже в автоматическом режиме.
Применение роботов-сварщиков на Горьковском автозаводе, созданных учеными Киевского института кибернетики АН УССР, дает большой экономический эффект. А ленинградские ученые создали роботов для окраски автомобилей на ВАЗе.
Но большие возможности имеют роботы второго поколения. Ученые Ленинградского института авиационного приборостроения начали «учить» роботов второго поколения работать около конвейера. На Кировском заводе, например, снабжением деталями сборщиков главного конвейера занимался диспетчер. Нажимая на кнопки пульта, он направлял к разным рабочим местам конвейера нужные блоки и детали. Но, уставая или отвлекаясь, диспетчер иногда ошибался, и сборщики получали не то, что нужно. А электронный стрелочник-робот таких ошибок не допускает. Он снабжен «зрением» — фотоэлементами. В каком бы положении ни находилась деталь, продвигающаяся мимо его «глаз», робот обязательно ее «узнает» и направит по назначению. Его вычислительное устройство мгновенно производит нужные вычисления видимого силуэта детали и безошибочно определяет, что это за. деталь
119
й куда ее надо отправить/ У этого робота нот рук — только «глаза», но сортирует детали он лучше человека.
Учеными этого же института опробован и робот, который с движущегося конвейера своей рукой-манйпуля-тором берет нужную деталь (шестерню, блок и т, ,д.) и устанавливает ее на требуемое место в собираемой машине. Это прообраз робора-сборщика. Выполняет свою работу такой адаптивный робот по команде ЭВМ, которая рассчитывает выгодную траекторию движения и положения захвата в зависимости от формы и расположения центра тяжести детали.
Успешные работы по созданию роботов второго поколения «глаз — рука» ведутся также и учеными Киевского института кибернетики. Их робот, оснащенный глазом-телекамерой, безошибочно распознает предметы по их геометрической форме, отличая, например, конус от пирамиды, и перемещает в нужное место.
Ученые работают и над созданием роботов третьего поколения. Это будут роботы уже интеллектуального типа. Для реализации этой сложнейшей задачи придется создавать мозгоподобные структуры. Наиболее подходящими Для этой цели являются так называемые рекурсивные ЭВМ; состоящие из тысяч микрокомпьютеров, связи между которыми меняются в зависимости от исполняемой программы.
' Исследователями было установлено, что поведение человека состоит из конечного числа элементов, а не Отличается, как думали прежде, бесконечным разнообразием. А если это так, то его можно описать математически; алгоритмизировать, как это делается сейчас с механическими движениями. Робот третьего поколения, в память ‘ которого заложена модель внешнего мира, начнет исследовать внешний мир, и в эту модель-память будут им вноситься Изменения примерно так, как и человек в течение жизни изменяет свои представления о внешнем мире. Изменение самим роботом внешней модели окружающею мира приведет, вернее, заставит и самого робота меняться.
Если адаптивные роботы умеют лишь приспосабливаться к определенным изменениям среды, то интеллектуальные роботы способны сами перестраиваться, стремясь лучше выполнить поставленную задачу. Таких роботов пока нет, и, возможно, вы, сегодняшние старшеклассники, будете свидетелями их появления, а может быть, и созда-
420
телами. Но в, общем это будет информационно-вычислительная система, наделенная способностью самостоятельно создавать программу поведения. Иными словами, будет создан искусственный интеллект.
КОНВЕЙЕРЫ И АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СКЛАДЫ
Но вернемся к сегодняшнему дню. Важное значение для комплексной автоматизации производства имеет автоматизация трацспортно-складских, работ. Мы уже отмечали, что долгое время на механизацию и автоматизацию транспортных работ внутри предприятия обращалось недостаточно внимания. На многих машиностроительных предприятиях затраты на разгрузку, транспортировку деталей и изделий и на отгрузку готовой продукции составляют 25...35% суммы всех косвенных расходов, входящих в себестоимость изделий. На этих работах занято много вспомогательных рабочих, производительность труда которых низка и составляет 2...7 т за. смену в сравнении с 250...3Q0 т на комплексно-механизированных транспортных участках;
. XXV съезд КПСС доставил, важную задачу широкого внедрения механизаццц. и автоматизации, транспортцо-складских работ. Экономисты подсчитали, что механизация этих работ не требует больших капиталовложений. Если, автоматическая линия, освобождающая -10—15 рабочих на основных технологических операциях, обходится в 100 тыс. рублей, то для высвобождения такого, же количества рабочих-такелажыцков нужно затратить лишь 10...2Q тыс. рублей.. А чтобы механизировать погрузочно-разгрузочные и складские работы, требуется наладить массовый выпуск специализированных средств малой механизации, причем пе силами самих предприятий, а в общегосударственном масштабе. Эта работа сейчас проводится, и уже достигнуты определенные успехи.
Напомним, что. механизация — это предпосылка для внедрения автоматизации. Лучше всего поддается автоматизации конвейерный способ транспортировки материалов, деталей и узлов. Широкое развитие конвейеризации—характерная особенность промышленности нашей страны и технически развитых зарубежных стран. Например, на предприятиях автомобильной промышленности количество конвейеров за последние годы почти удвои
121
лось. Большой эффект дают лидвесные толкающие конвейеры, позволяющие транспортировать самые разнообразные детали и узлы. Для этого лишь меняются подвески для захвата деталей. Подвесной конвейер, транспортируя детали, может проходить через различные устройства для окраски деталей, их сушки и т. д., ускоряя тем самым технологический процесс. Внутрицеховые конвейеры могут соединяться с межцеховыми, и детали, изготовленные в одном цехе, без перегрузки транспортируются дальше, на сборку: Транспортировка становится непрерывным процессом, а такой процесс, как мы уже не раз отмечали, лучше поддается автоматизации.
На ряде автомобильных заводов некоторые подвесные транспортные конвейеры служат как бы подвижными складами, и узлы, находящиеся на них, постепенно перемещаются к конвейеру общей сборки. Автоматические подъемники, перегружающие узлы и детали с одного конвейера на другой, позволяют полностью исключить ручной труд.
Автоматизация транспортно-складских работ требует предварительного анализа грузопотоков внутри предприятия. Расчеты на ЭВМ позволяют устранить лишние перевозки и перевалки грузов, спрямить грузопотоки. А если и управление грузопотоками поручить ЭВМ, то удается
Коротко об интересном. Автоматические конвейерные поезда.
К концу десятой пятилетки в опытно-промышленную эксплуатацию будут приняты необычные поезда без машинистов — конвейерные. Они будут перевозить руду на Череповецком химзаводе и Новгородском химкомбинате.
Доставка полезных ископаемых из карьера иа завод и химкомбинат всегда была серьезной проблемой, решение которой требует значительных затрат. Чаще всего руду везут по железной дороге на специальных платформах, а при небольших расстояниях —<• автомобилями-самосвалами. В последние годы стали сооружаться и транспортерные транспортные линии. Доставка груза на гибких лентах обходилась дешевле, но сооружение ленточного транспортера зависело от рельефа местности.
Другое дело — конвейерный поезд. Он состоит из нескольких десятков коротких платформ — тележек, соединенных друг с другом гибкой сцепкой. Каждая тележка стоит лишь на двух коле-' сах, и это обеспечивает преодоление самых крутых виражей.
— А локомотив, — спросите вы, — он тоже на двух колесах?
> Нет, гибкая «змея» тележек мчится по рельсам... без локомотива. Приводное устройство смонтировано между рельсами и представляет собой несколько пар вращающихся роликов, на которые натянуты две ременные ленты. К каждой тележке внизу
122
комплексно автоматизировать большинство транспортных работ па предприятии. Система автоматического адресования грузов, доставляемых конвейером, позволит 'исключить ошибки при перемещении деталей и узлов и лик* видировать простои из-за несвоевременной доставки комплектующих деталей.
'Наконец, важным звеном в комплексной автоматизации производства является создание автоматизированных складов. Ими управляет вычислительная машина. В её памяти хранятся сведениям том, где, в какой секции склада, на каком поддоне хранятся те или иные детали — будь то крохотный болт или сложный узел. В комплекс такого склада входят многоярусные стеллажи и грузоподъемники с полностью автоматизированным рабочим циклом. По сигналу ЭВМ нужное количество деталей снимается со стеллажа и автоматически направляется к тому рабочему месту, откуда поступил запрос на данную деталь. Подсчеты показали, что автоматизированный склад позволяет на 60% уменьшить площадь складского помещения при равном количестве складируемых грузов. При этом многократно увеличивается производительность труда, сокращается число обслуживающего-персонала и, ликвидируется тяжелая работа грузчиков.
приварена вертикальная стальная пластина, и эту пластину захватывают ременные ленты и протаскивают вперед, затем пластинку второй, третьей тележки и т. д. Необычный поезд разгоняется и через некоторое расстояние, несколько меньптео длины поезда, снова получает ускорение следующим набором роликов с лентами. Таким образом приводные устройства, расставленные по всей трассе, подгоняют состав, доставляя его к пупкту назначения.
Главная особенность конвейерного поезда — полная автоматизация его работы. На ходу автоматически поезд загружается, программное устройство ведет его по маршруту, и,разгрузившись в конечном пункте, поезд возвращается обратно. По мере развития сети линий с конвейерными поездами на том или ином комбинате предусмотрена автоматическая переадресовка составов, загрузка попутными грузами и т. д.
Протяженность каждой из первых таких линий, о которых говорилось вначале, не превышает 2 км. На них будет отработана вся технология перевозок полезных ископаемых. Но уже сейчас уточняется технико-экономическое обоснование трассы с конвейерными поездами для производственного объединения «Фосфорит». Длина этой линии уже 16 км. И это не предел. Инженеры и конструкторы уже ведут подготовительные работы по сооружению автоматической конвейерной трассы между поселком Чара на БАМе и Удоканским меднорудным карьером, j
123
с Завершая разговор о комплексной автоматизации, побываем на одном из предприятий, на котором многие из перечисленных средств автоматизации нашли широкое применение. Это московский завод «Хроматрон», выпускающий кинескопы для цветных телевизоров.. Комплексная автоматизация на этом заводе достигнута за счет использования новейших средств автоматики.
Процесс изготовления цветного кинескопа состоит из 8000 сложных операций. Они выполняются на 17 автоматических и полуавтоматических агрегатах, 80 специальных установках и многопозиционных конвейерных линиях. Масса цветного кинескопа довольно внушительная — 18 кг. На «Хроматроне» впервые в мире перестановку; перемещение, снятие кинескопов стали делать роботы-манипуляторы.
Весь технологический процесс управляется АСУП, которая строго следит за потоком полуфабрикатов и деталей. Наиболее ответственные операции взяты под контроль отдельными автоматизированными системами управления технологическим процессом. Их ЭВМ корректирует ход технологического процесса. Например, специальные датчики сигнализируют о плотности и равномерности наносимого слоя люминофора, а при откачке воздуха из кинескопов определяются оптимальные режимы (с постоянной их корректировкой) откачки, нагрева, охлаждения и т. д; Как видите, и здесь применен адаптивный режим управления технологией. Основой управления является центральная ЭВМ — машина третьего поколения, собранная на интегральных Схемах, с которой связаны и все другие, малые ЭВМ, тоже относящиеся к третьему поколению.
Показателем успешного выполнения задачи комплексной автоматизации на «Хроматроне» служит то, что большая группа специалистов завода в 1975 г. была удостоена Государственной премии СССР в области науки и техники.
НОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ И АВТОМАТИЗАЦИЯ
Характерной особенностью комплексной автоматизации является то, что при ее осуществлении используются наиболее эффективные, наиболее передовые технологические процессы и методы обработки материалов, созданные на основе последних достижений науки и техники.
124
Степень-развития технологии, как известно; определяет степень развитая машиностроения вообще. Разумеется, и внедрение автоматизации в машиностроение, прямо зависит от его технологической базы. Приведем несколько примеров,, подтверждающих сказанное выше.
Если речь идет об автоматизации процессов обработки материалов, то в арсенале автоматики находятся высокоинтенсивные методы, такие, как высокоскоростная штамповка, холодное, горячее и полугорячее выдавливание фасонных деталей, вальцовка заготовок и поковок, авто^ магические линии по производству мелких поковок тина шатунов, колец ;И т. д., Для нагрева деталей при этом используются индукционные установки.
В Л11тейном; производстве основное внимание уделяется не только повышению производительности труда, но и получению отливок, которые требуют небольшой дальнейшей механической обработки или вообще обходятся без нее. Легче поддаются автоматизации, как отмечалось, те процессы., в самом принципе которых заложена идея непрерывности, идея потока. Применительно к литейному производству к ним относятся непрерывное литье слитков, труб, профилей, заготовок^ В последние годы возможности для автоматизации, расширились благодаря ос? воению литья в металлические формы, или в оболочки с очень тонкими стенками; Автоматизированное литье под давлением позволяет изготовлять крупные детали, для автомобилей, например алюминиевые блоки цилиндров. Созданы роторные установки для изготовления, под давлением ртливок из латуни, производящие 120 отливок в час. На многих заводах созданы и работают автоматические формовочные машины и целые линии из них, а также автоматические линии литья коленчатых валов и других массовых изделий.
В машиностроении и приборостроении большой удельный вес занимает сварка. Наибольшей автоматизации подвергся самый массовый вид сварки — дуговая сварка. При сварке под флюсом автоматизируется не только сам процесс, но и засыпка флюса в шов и уборка его по окончании сварки. Автоматическая дуговая сварка в защитной атмосфере газа применяется на сотнях заводов для изготовления любых конструкций, начиная от деталей из тонкой стали и кончая мощными паровыми и гидравлическими турбинами. Хорошо поддается автоматизаций
125
контактная электросварка. Пропуская ток через место сварки, нагревают его, а затем разогретые детали сдавливают. Если нужно сварить листы тонкой фольги, то импульсы тока получают разрядами электрических конденсаторов. Циклические автоматы контактной сварки .одновременно делают до нескольких десятков сварных точек. Удельный вес контактной сварки велик: на автоматических заводах она занимает 3/4 всех видов сварки.
В приборостроении широко применяется метод диффузионной сварки, разработанный советским ученым Н. Ф. Казаковым. Для этого созданы автоматические установки. Свариваемые детали нагреваются в вакуумной ^камере и слегка сдавливаются. Соединение происходит благодаря диффузии — проникновению друг в друга молекул соединяемых материалов. Это происходит без припоев, флюсов или электродов, причем так можно сваривать металлы с неметаллами, металлы с металлокерамикой и т. д. Для сварки п^ироко используется и ультразвук. Мощный ультразвуковой вибратор на частоте 20 кГц создает давление в зоне сварки и в течение 0,5...3 с соединяет детали. Можно производить и герметическую сварку в виде шва, и эта операция легко автоматизируется специально созданными циклическими системами. Этот вид сварки незаменим для соединений деталей в труднодоступных местах того или иного прибора.
Наконец, перспективна для автоматизации лучевая сварка потоком и лазерная сварка при соединении деталей очень малой толщины. Автоматическая сварка лазерным лучом широко применяется в микроэлектронике.
Как видите, автоматизация использует практически все новое, что создается наукой и техникой, причем техническая реализация открытий сейчас происходит в сжатые сроки. Вспомним, что после изобретения фотографии для технической реализации этой идеи потребовалось 112 лет, для телефона — 50 лет, радара — 15 лет. А транзисторы стали выпускаться уже лишь через 5 лет после их открытия. Наконец, промышленное производство интегральных схем с момента их разработки началось менее чем через год!
Глава 8.
АВТОМАТИКА И КАЧЕСТВО ПРОДУКЦИИ
Вас, наверное, немного удивило, что разговор о Качестве продукции автоматизированного производства мы выделяем в отдельную главу. Ведь на протяжении почти всей книги вй не раз встречались с утверждением, что автоматизация обязательно приводит к повышению качества изделий. В силу своей природы, в силу того, что автоматы работают в большинстве случаев точнее, они х<не ,забывают» сделать ни одной из предусмотренных операций, не утомляются, а при адаптивном управлении еще и могут приспосабливаться к малеййгим изменениям технологического процесса и учитывают эти ' изменения. Так что замена простых станков автоматическими осуществляется не только из-за более высокой производительности последних, но и потому, что при такой замене должно резко повыситься качество изделий.
И еще: мы довольно часто говорили, что станки-авто-маты и комплексно-автоматизированные цехи работают по заранее составленной программе и «выдают» свои изделия сами, без участия человека. Это верно и в то же время неверно! Парадокс? Да нет, просто говоря о «самостоятельности» автоматических устройств, мы подразумеваем, что в сложной работе автоматов внешне незаметно участвует специалист высокой квалификации, будь то наладчик или инженер, руководитель участка, цеха и т. д.
И действительно, в цехе, где работают станки-автоматы, почти нет людей, но без них, немногих, эти сверкающие хромом и никелем станки все равно, что тело без души, без высокой их квалификапии такой цех и не яаст
127
столько, сколько может, продукции и качество ее будет не таким высоким.
Это вступление сделано для того, чтобы, читая в книгах, газетах, журналах о появлении новых автоматов, заменяющих труд человека, вы не приходили к мысли о приближении времени, когда все будут делать машины, а вам останется лишь наблюдать как хорошо они это делают. Ошибочный взгляд! И в этом вы убедитесь, когда уз-наете<побольше о «взаимоотношениях» человека и автомата, о характере труда и роли человека в мире автоматов, о профессиональных требованиях к людям, управляющим автоматами — одним словом, о том, как интересно стать специалистом в области автоматики и как много надо для этого узнать.
ТВОЯ ПРОФЕССИЯ - АВТОМАТИКА
Начнем с вопроса. Не задумывались ли вы, читая газетные сообщения, почему в монтаже, например, сверхмощного автоматизированного пресса, купленного Францией у СССР/ участвовала добрая сотня советских специалистов, специально выезжавших за рубеж? Или почему в пуске химического завода, приобретенного нашей страной у зарубежной фирмы, принимали участие специалисты этой фирмь!?^ Зачем это? Ведь и пресс и завод поставляются с подробнейшей технической документацией, где все расписано, как говорится, от и до, где дана подробная характеристика каждого станка, каждого узла и даже указаны возможные неполадки.
Думать, что специалисты сопровождают свои детища за рубеж потому, что техники и инженеры одной страны лучше другой, было бы неуважительно к этим самым1 специалистам, да и в корне неверно.
А дело все в том, что поставляемые за рубеж или приобретаемые у зарубежных фирм установки, цехи, заводы новые в широком смысле этого слова. Часто их определяют как «уникальные», это значит, что в них использованы новейшие достижения науки и техники, достигнуты более высокие, чем в существующем оборудовании, показатели. И разумеется, тем, кто эти установки создавал, опробовал, работал на них, известны все их тонкости, все неизбежные при наладке капризы отдельных устройств и узлов, и такие специалисты быстрее, и лучше смогут спра
128;
виться с ними. Одним словом, эти специалисты имеют высокую квалификацию, они в своем деле стали подлинными мастерами.
Для человека труда нет ничего почетнее, чем стать таким специалистом — рабочим, техником, инженером, сне? циалистом, которого его коллеги нередко называют «профессором своего дела».
* В моих руках книга «Автоматическое управление»,, изданная еще в 1961 г. В то время автоматизация только, брала разбег, но и тогда уже было ясно, насколько велики требования к молодому человеку, избравшему автоматику свсей специальностью. Цитирую: «Нам нужен не «мастер на все руки», а человек, уверенно владеющий новой специальностью, а это требует новой учебной, подготовки, т. е. серьезного изучения математики, физики, химии, теории измерений, связи и электроники, сервомеханизмов, преобразования энергии, термодинамики и вычислительной техники...»
Прочитав это, некоторые из вас, возможно, подумают:. «Э-э-э, столько перечислено наук и все такие сложные^. Осилю ли? Не проще ли стать экономистом или, энергетиком?.. Или, может быть, медиком?»	_ с
Цо таких малодушных, боящихся трудностей познания, думается, немного. Большинство из, вас, кончающих среднюю школу, уже, пусть в общих чертах, решили вопрос «кем быть?». Те же, кто после восьмилетки поступил в ПТУ или техникумы, уже овладевают своей профессией — железнодорожника, бухгалтера, токаря, продавца, медицинской сестры и т. д. Но это не означает, что. автоматика миновала их. Нет, с нею и им придется иметь дело, причем при исполнении своих прямых служебных обязанностей.
Вы решили стать продавцом или бухгалтером? Что ж, и эти в общем не инженерные профессии потребуют знания автоматики. Сейчас вычислительные машины широко используются при расчетах заработной платы, потребностей в товарах, учете покупательского спроса и т. д< А крупные торговые предприятия обзаводятся своими АСУЙ и автоматизированными складами, из которых товары подаются в торговые залы ^автоматизированными транспортерами, работающими по. программе.
Не надо долго доказывать и то, что труд железнодорож-, ника, речника, строителя еще в большей степени связав.
129
с автоматикой, с*'автоматическими помощниками. Даже такая область, как медицина, сейчас не может обойтись без автоматики. В печати нередко появляются сообщения об автоматических помощниках врачей, например, для уточнения, диагноза, об устройствах для электростимуляции сердца, об установках «искусственная почка», «искусственное ч легкое» и даже «искусственное сердце». Эти очень сложные аппараты представляют собой самые совершенные автоматы. А протезирование утраченных конечностей? Уже давно создана механическая рука-протез, а точнее, биоточный манипулятор5, работающий не «под руководством» ЭВМ, а от биотоков живого организма. Это только несколько, примеров, о всех применяющихся в медицине автоматических устройствах рассказать просто* невозможно.
Совершенно ясно, что для того, чтобы пользоваться услугами автоматических помощников, и будущий' меди к, и экономист, и железнодорожник, игкомбайнер должны хорошо знать их, быть знакомыми с принципами работы автоматических устройств.
Но пока наиболее насыщены средствами автоматики^ машиностроение, связь, транспорт и отрасли промышленности, выпускающие изделия массового спроса. Эти изделия есть в каждом доме, вы их знаете и пользуетесь ими. Разве можно было без широкого использования средств автоматики производить миллионы электрических лампочек, электроутюгов, пылесосов, телевизоров, костюмов и пальто, обувь, консервы и прохладительные напитки, хлебо-булочные изделия и т. д.? На прошедшей в 1978 г. в Москве международной выставке «Инпродторг-маш-78» были показаны сотни автоматически действующих машин и даже целые цеха, используемые для производства продовольственных товаров и в торговле.
Как видим, автоматы служат человеку всюду, где человек трудится, и посвятить себя автоматике — это значит помочь сделать труд человека более эффективным, более производительным.
Не надо думать, что комплексная автоматизация осуществляется только за счет специально созданных для этого машин, автоматических линий и т. д. На предприятиях нашей страны накоплен большой опыт по автоматизации действующего оборудования силами самих предприятий. Разобщенно работающие станки и машины уси
130
лиями и творческой инициативой рабочих, техников, инженеров предприятия нередко превращаются? в автоматическую линию. Большую помощь при этом оказывают рационализаторы предприятия — рабочие и техники/ творчески относящиеся к своему делу. Конечно, им приходится много учиться, следить за новинками техники, изучать опыт родственных предприятий. А как широко поле деятельности рационализатора-рабочего при механизации и автоматизации подсобного, ручного труда!
Кстати, широкое внедрение механизации и автоматизации позволило освободить рабочего, оператора и даже инженера от скучной и однообразной работы, характерной для поточного производства. Характер труда рабочего с внедрением комплексной автоматизации меняется коренным образом, его труд становится более творческим, более интересным.
Завершая разговор о профессии, отметим, что выбор ее — задача не простая. Ведь в нашей стране число реально существующих профессий не меньше 40 тыс., а каждый из вас выбирает одну. И если наша книга поможет в этом, то мы будем считать, что она свою задачу выполнила, к-. А сейчас вернемся к проблеме качества продукции и роли, автоматизации в ее повышении.
АВТОМАТИЗАЦИЯ — ОДИН ИЗ РЫЧАГОВ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ
Как можно измерить качество труда работника любой профессии? Ответ на этот вопрос известен. Таким показателем служит отношение (в процентах) работы, выполненной без отклонений от заданных требований, ко всему объему работы, сделанной в течение дня, недели, месяца. Иными словами, процент сдачи продукции с первого предъявления.
Давайте сравним работу двух цехов: обычного, в котором токари обслуживают универсальные станки (или специальные, но пе автоматизированные), и цеха, который полностью автоматизирован, вплоть до транспортировки деталей и их сборки. Оба цеха изготовляют одно и то же изделие.
Не будем говорить о количестве рабочих в этих цехах и об объеме выпускаемой продукции (эти вопросы ясны
131
и преимущества автоматизированного цеха бесспорны), а рассмотрим интересующую нар проблему качества изделий.
На первый взгляд у первого цеха, в котором станки обслуживают квалифицированные рабочие, , есть, преимущества перед автоматизированным цехом. . Каждый станочник — мастер своего дела. В его интересах сдать детали с первого предъявления, и он использует весь .свой опыт и. возможности станка, чтобы работать без брака, И все же брак появляется по не зависящим от рабочего причинам. Например, из-за того, что к коццу смелы, его станок, или измерительный инструмент для контроля, деталей несколько разладились, а станочник не сразу это заметил. Еще причина: от станка к станку, да и на, сборку детали доставляют в тележках, па мотокарах, и при: за-грузке и выгрузке их па качественной детали может появиться царапина, вмятина и т..д. На сборке этот ще-фект могут не заметить, а изделие окажется бракованным. Да и при сборке, действуя даже механизированным,инструментом, рабочий-сборщик может какую-то деталь поставить с незаметным перекосом или затянуть болты с большим, чем нужно, усилием и т. д. Но могут быть и субъективные причины брака: рабочий к концу смены.устал, отвлекся и деталь получилась с тем или цным;отклонением от нормы.
Цех-автомат также обслуживают квалифицированные рабочие-наладчики. За каждым из них закреплена группа станков автоматической линии, но так как технологический процесс непрерывен, то результаты труда — общие для всех наладчиков и о них судят по конечной продукции — готовому изделию. Однако наладчики, как и станочники,- могут не сразу уловить сбой в работе какого-либо станка или ошибиться при его наладке. Вот тут-то и проявляется разница в работе неавтоматизированного и автоматизированного цехов. В этом, втором, цехе брак будет замечен немедленно. Автоматические контролеры немедленно известят о нем световым или звуковым сигналом. Поломка инструмента, отклонение размеров изготовляемой детали от установленных значений вызовут немедленную остановку станка, и, пока неполадку не устранят, станок работать не будет.
Таким образом, обладая бесспорным преимуществом в количестве выпускаемой продукции, автоматические
132
устройства, станки, линии, особенно управляемые АСУП» производят изделия и более высокого качества.
Большую роль в повышении качества выпускаемой продукции играет осуществление комплексной автоматизации на всех этапах создания нового производства: от проектирования и разработки технологического процесса до его осуществления.
В заключение хотелось бы подчеркнуть, что автоматизация производственных процессов не исчерпывает всех средств повышения качества продукции. Решение этой важной народнохозяйственной проблемы зависит также от четкости планирования и управления производством, темпов Научно-технического прогресса, системы стимулирования труда, действенности социалистического соревнования и т. д.
В соответствий с решениями XXV съезда КПСС в нашей стране разработаны принципы Единой системы государственного управления качеством продукции (ЕСГУКП), обобщившей опыт применения львовской, саратовской, ярославской и других систем управления качеством. Борьба за качество поднята до уровня закона, она стала обязательной для всех советских людей, на всех участках гигантского фронта строительства коммунизма в нашей стране.
. Глава 9.
ПУТИ РАЗВИТИЯ АВТОМАТИКИ
Заглянуть в завтрашний день... Представить, какой будет техника в обозримом будущем... Эта задача слишком важжц, слишком ответственна, особенно в наше время, когда все тан быстро меняется. Не случайно появилась» даже наука ~ прогностика, которая делает прон гнозы, выявляет тенденции развития общества, науки, техники.. Не из праздного любопытства люди занимаются этим. Вглядываясь в будущее, анализируя новое, появившееся сегодня, очень важно знать, суждено ли этому новому разрастись, стать неотъемлемой частью жизни большинства членов общества или это будет короткий эпизод, явление без существенных последствий или даже просто курьез, ошибка.
Итак, давайте посмотрим, каким представляют ученые завтрашний день автоматики.
БУДУЩЕЕ, КОТОРОЕ НАЧИНАЕТСЯ СЕГОДНЯ
Каким будет завод завтрашнего дня? Вот что по этому поводу говорит крупный советский специалист в области систем управления академик В. М. Глушков: «Основой производства станут новые автоматические линии, созданные на базе стацков с программным управлением. Наша промышленность уже выпускает такие станки. Они хорошо зарекомендовали себя, их выпуск будет увеличиваться с каждым годом... Подчиняясь командам, записанным на перфорированной или магнитной ленте, машина сама обрабатывает деталь, меняет режим работы, режущий инструмент. Но главное преимущество таких уст
134
ройств вот в чем. Если требуется изготовить совершенно иную деталь, то перестраивать ставок нет никакой необходимости. Достаточно вставить ленту с другой программой».
«Позвольте! — можете возразить вы. — Какое же это будущее, если такие станки уже есть, работают И называются станками с ЧПУ? О линиях из таких станков рассказывалось в книге!» Все верно. И станки, и линии, о которых говорит ученый, уже есть. Но пока это новое — своего рода исключение, начало большого пути. А в будущем сооружение заводов по такой схеме станет правилом, основой машиностроения. В нашей стране — тысячи заводов, на них работают миллионы станков (только металлообрабатывающих в 4975 г, было более 4,5 млн.). А станков с ЧПУ в I960 т. работало лишь 49. Но уже в 1977 г. их стало 6333! И количество таких «умных» машин е автоматическим управлением стремительно растет. То же можно сказать и об автоматизированных уникальных станках для обработки крупногабаритных, «тяжелых» деталей, и об особо точных прецизионных станках, количество которых ежегодно увеличивается на десятки тысяч.
Автоматические линии при внедрении в производство испытывают такую же тенденцию. Если в 1965 г. их было около 3 тыс., то к началу десятой пятилетки их насчитывалось уже 17 тыс. Из них более 8 тыс. работало на машиностроительных и металлообрабатывающих предприятиях и более. 3 тыс. — в пищевой промышленности.
И это не просто количественный рост. Управление всем комплексом техники качественно меняется. К началу десятой пятилетки действовало 2800 автоматизированных систем управления. А за 2 года десятой пятилетки в строй было введено еще 626 АСУ.
Еще лет 15 назад машина определялась «как устройство для замены производственных функций человека с целью повышения производительности труда и его облегчения». И сами машины делились на два класса: энергетические (машины-двигатели), преобразующие любой вид энергии в механическую (электрогенератор, карбюраторный двигатель нт. д.), и рабочие, которые в свою очередь подразделялись на технологические (токарный станок, экскаватор, сварочный аппарат и т. д.) и транспортные (автомобиль, электровоз, подъёмный край и т. д.).
135>
Как было показано в предыдущих главах, в последние годы создаются машины, которые заменяют не только производственные, но и некоторые функции умственного характера и даже физиологические функции отдельных органов человека. И к существующим видам машид прибавились три новых: контрольно-управляющие, математические (они выполняют ряд логических операций) и кибернетические, заменяющие порой отдельные органы человека и способные приспосабливаться к окружающей среде.
В обозримом будущем эти виды устройств получат исключительное развитие. Переход к непрерывным производственным процессам на современном этапе является одним из условий для создания целых систем управления, работающих па адаптивном и даже кибернетическом принципе.
Создание систем, т.' е. комплекса взаимосвязанных объектов, каждый из которых работает на общую цель, эта тенденция характерна не только для предприятия или отрасли. Наметилась и уже реализуется тенденция к интеграции, объединению отдельных, малых систем в отраслевые и даже общегосударственные. Мы уже говорили о Единой системе технологической подготовки производства, Единой энергетической системе СССР ^комплексной системе управления качеством. Создаются, и Единая система ЭВМ, Единая система государственных стандартов, Единая система аттестации качества продукции и многие другие. Все они не дань моде, не стремление к гигантомании. Создание из группы предприятий объединений и на их основе отраслей, «взаимоувязка» различных отраслей преследуют одну цель: повысить эффективность народного хозяйства, полнее удовлетворять потребности нашего общества. В перспективе вся экономика страны, все народное хозяйство будет управляться Общегосударственной автоматизированной системой, подстроенной по иерархическому принципу, — системой, в которой будут функционировать малые, средние, большие и супер-ЭВМ. Эта система будет обрабатывать гигантское количество информации.
Еще в конце 60-х годов под руководством академика В. М. Глушкова в Институте кибернетики АН УССР было подсчитано, что общий объем вычислений, производимых в народном хозяйстве нашей страны, составляет
136
примерно 1016 арифметических операций: в год. Насколько велик этот объем, можно судить по такому примеру. Лучшая из современных ЭВМ (а это 100 млн. операций в секунду!), работая по 8 ч в день, выполнит указанный объем вычислений лишь за 100 лет (в 1960 г. рекорд, быстродействия ЭВМ составлял 36 млн. операций в секунду).
Следовательно’, решение проблемы заключается в увеличении быстродействия ЭВМ (наши ученые уже работают над созданием вычислительных машин, выполняющих более миллиарда операций в секунду), в совершенствовании принципов совместной работы ЭВМ (т. е. в дальнейшем развитии теории автоматического управления), в увеличении парка ЭВМ. В нашей стране производство ЭВМ растет стремительными темпами. Только за годы девятой пятилетии выпуск их увеличился более чем в 4 раза.
Расскажем о некоторых острых технических проблемах, рожденных веком научно-технической революции, в решении которых ведущая роль будет принадлежать средствам автоматики на < базе ЭВМ.
Одна из таких проблем — управление уличным движением современного крупного города. Особенно она остро встала в тех странах, где автомобилизация транспорта началась давно и приняла такие формы, что заторы на улицах стали обычным явлением. В результате образующихся «пробок» средняя скорость движения автомашины в часы «ник» порой меньше, чем пешеходов.
Решить сложную проблему движения транспорта поможет автоматизированная система управления уличным движением, дирижировать которым будет ЭВМ.
Каков же основной принцип действия этой системы недалекого будущего? Сигналы от датчиков, которые установлены на всех перекрестках крупного города, постоянно поступают в ЭВМ центра управления. Благодаря этому ЭВМ «знает», на каких перекрестках скопилось слишком много машин, какие магистрали перегружены, а по каким можно проехать относительно быстро. На автомобилях установлены приемопередатчики с небольшими экранами, на которых высвечивается информация, нужная водителю. Предположим, автомобиль застрял у перекрестка № 7 5Д а ему нужно попасть к перекрестку, расположенному в другом конце города. Водитель не знает, как ему лучше и быстрее добраться до места
137
на§йачения, какие улицы, магистрали более свободны для движения. На помощь ему приходит аппаратура, установленная на передней панели. Водитель набирает на небольшом пульте номер перекрестка, где он находится (в нашем примере — 75), и вторую цифру — номер перекрестка, куда ему нужно добраться (этот номер может быть легко найден по карте города).
Центр управления принимает заказ. ЭВМ центра, зная всю дорожную обстановку города в данный момент, в течение секунд рассчитывает оптимальный маршрут движения автомобиля и берет на себя прокладку этого маршрута. Приемное устройство автомашины принимает сигналы управления из центра на обычную автомобильную радиоантенну. Вспыхивает стрелка на экране перед водителем, показывая, в каком направлении надо начинать движение. Если нужно повернуть направо или налево, водитель узнает об этом по изгибу новой стрелки, которая загорается за 200 м до перекрестка, где нужно сделать поворот. Водитель перестраивается, занимает нужный ряд для поворота. И так до конца, до"пункта назначения. Поступление оперативной информации в центр управления, перерабатываемой с неимоверной быстротой, позволяет выбирать для автомобиля самый выгодный, самый скоростной вариант движения. Даже если где-то на пути внезапно образуется затор, центр управления немедленно внесет коррективы в маршрут движения автомобиля и проведет его объездными путями.
Вы можете спросить: сколько же нужно каналов связи центра управления с автомобилями, находящимися в пути? Действительно немало, но в пределах реально возможного. Автомобиль и центр управления связаны друг с другом (т. е. занимают канал связи) лишь очень корот-кое^время, нужное для запроса и ответа. А вся программа движения автомобиля, составленная ЭВМ, записывается в виде кода в «память» электронного устройства самого автомобиля.
Разумеется, на первых порах такой аппаратурой могут быть снабжены лишь немногие машины, в первую очередь специальные (скорой помощи, оперативные и т. д.). А как же быть остальным? Они тоже будут получать информацию от центра управления, но не непосредственно, а через табло, установленные на оживленных перекрестках, и через регулировщиков уличного движения. Пред
138
положим. впереди в трех кварталах затор — магистраль оказалась перекрытой. Автоматически зажигающиеся указатели покажут маршрут объезда.
Сложные системы управления требуют обеспечения обмена большими количествами информации. А это, особенно в случае, если объектов управления много и они находятся друг от друга на больших расстояниях, рождает необходимость в надежной, емкой связи между объектами, с одной стороны, и «штабом» управления и объектами — с другой. Создание всех «единых систем» страны, о которых говорилось выше, невозможно без единой сиг стемы связи. Она уже создается, а какой ее видят специалисты, об этом расскажем подробнее.
Связь — это телефон, телеграф, почта. По линиям связи «доставляются» в наши дома радиовещательные и телевизионные программы. Рост информационных потоков, без которых невозможно представить работу промышленности, сельского хозяйства, транспорта и повседневную жизнь, столь велик, что, по расчетам академика А. А. Харкевича, вдвое опережает средний темп роста народного хозяйства. Создание разрозненных систем связи, каждая из которых обслуживала бы свою отрасль, не решает общей проблемы связи и обходится слишком дорого.
Учитывая это, еще XXIII съезд КПСС принял решение о создании в нашей стране ЕАСС — Единой автоматизированной системы связи, предназначенной для передачи всех видов информации как ведомственного характера^ так и для нужд телевидения, радиовещания.
«Скелетом» ЕАСС служит сеть каналов связи различных типов: кабельные и радиорелейные линии, каналы связи через искусственные спутники Земли. Эта так называемая первичная сеть представляет собой единое целое как технически (единая система передачи для разных видов информации), так и эксплуатационно (единое управление каналами, возможность маневрировать ими).
На базе первичной строятся вторичные сети, каждая из которых включает в себя аппараты, преобразующие информацию (звук, изображение и т. д.) в электрические сигналы или, наоборот, электрические сигналы в информацию (их называют оконечными); линии связи, соединяющие аппараты с каналом связи; различные коммутационные устройства. Вот примеры некоторых вторичных
139
сетей, входящих в ЕАСС. Прежде всего это автоматическая сеть телефонной связи, которая может использоваться не только для разговоров, но и передачи, данных, для фототелеграфа и т. д, Очень емкой является и сеть телеграфной связи между предприятиями связи, принимающая телеграфные сообщения от любого потребителя по всей территории страны. А сеть абонентского телеграфа между промышленными предприятиями и учрежден ниямИ; служит лишь для обмена служебной информацией. По одной из вторичных сетей передаются теле- и радиовещательные программы.
Вторичные сети в некоторых случаях могут строиться да базе общих каналов первичной сети или иметь общие коммутационные устройства. Но информационные потоки у каждой сети свои. Наибольшее значение среди них имеет информация от промышленных и других объектов. Для передачи ее создается специальная сеть — Общегосударственная система передачи данных. >	1
Отметим, что первичная сеть, которая образуется как совокупность местных (городских и сельских), областных и магистральных сетей связи, отражает существующую административную структуру,
Важное условие нормальной работы ЕАСС — органа зация четкого управления всеми ее звеньями. Трудность состоит в- том, что объекты ЕАСС рассредоточены по всей стране. Для управления ими создается специальная, служебная, сеть Связи, С помощью которой будет осуществляться руководство потоками информации внутри первичной и вторичных сетей ЕАСС.
К этому короткому описанию ЕАСС добавим, что сейчас создаются цифровые системы для йередачи по линиям связи любой непрерывной информации, в том числе телефонных разговоров. Для этого непрерывный вид информаций преобразуется в дискретный, Который передается цифровым кодом в пункт приема. Там осуществляется обратное преобразование поступающего сигнала.
Коротко об интересном. Автомат сажает лее. Под таким названием была опубликована заметка в «Правде» в сентябре 1978 г., рассказывающая об испытаниях автоматической лесопосадочной машины в Кстовском опытно-производственном лесхозе (Горьковская область). Ее создало Центральное опытно-конструкторское бюро по разработке лесной техники. Новая машина работает так: по участку, где нужно посадить лес, движется трактор и тянет плуг с автоматическим устройством для высаживания сеянцев в
140
Такой способ позволяет уменьшить искажения сигнала и передавать но одному каналу связи значительно больший объем информации.
Вглядываясь в будущее* можно представить, как все больше будут совершенствоваться автоматические устройства, используемые не только в промышленности и связи, но и для научных' исследований, изучения космоса и морских глубин и, конечно, в быту человека. Ряд ученых предполагает, что со временем в квартирах появятся роботы кибернетического типа, которые возьмут на себя различные виды домашних, работ, пока выполняемые вручную. Трудно сейчас судить, насколько это реально и целесообразно, но автоматизированные механические устройства: стиральные машины, полотеры, электронагревательные приборы и кухонные печи — уже появляются в продаже. Число их, конечно, будет расти.
До сих пор мы вели разговор о завтрашнем дне автоматики промышленных отраслей народного хозяйства. А как обстоит дело с сельским хозяйством?
А ВТОМАТ ИЗИРОВАНИЫЕ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ ПРЕДПРИЯТИЯ
Народное хозяйство страны едино и технический; прогресс в промышленности неизбежно влезет за собой коренные изменения в сельском хозяйстве.
Наша страна — государство развитого сельского хозяйства. Различные звенья его все шире и шире охватываются комплексной механизацией. Программа этой гигантской работы была намечена решениями XXV съезда КПСС и июльского (1978 г.) Пленума ЦК КПСС. А комплексная механизация, как было показано выше,—- одно из условий внедрения автоматизации, поэтому ученые уже сейчас говорят об автоматизированных сельскохозяйственных предприятиях (АСП).
грунт. Из четырех кассет саженцы сосны подаются на ленточный механизм, заправляются в борозду и прижимаются к земле прикаточными катками. Человек лишь наблюдает за работой автомата.
Кроме того, что применение автомата повышает производительность труда на лесовосстановительных работах, достоинством такого способа является совмещение подготовки почвы и посадки.
141
Таких предприятий еще нет, пока практически все . сельскохозяйственные машины: тракторы, комбайны, машины для внесения удобрений — работают под управлением людей. А в будущем?
Прежде чем ответить на этот вопрос, отметим, что основные сельскохозяйственные работы, относящиеся к растениеводству, проводятся в поле: обработка цочвы,, внесение удобрений, посев и сбор урожая. Но немало затрачивается труда и в стационарных условиях: разделение урожая на фракции, первичная обработка продуктов и т. д. Стационарные пункты располагаются рядом с поселками, около железнодорожных станций, перерабатывающих предприятий.	.. -
Работы, проводимые в стационарных условиях, автоматизировать легче, так как в этом случае могут быть использованы конструктивные решения, которые прошли проверку в промышленности. Уже сейчас можно реально представить себе, как зерно, поступающее на автоматизированные токи, очищается, просушивается и загружается в тару автоматическими устройствами.
Полевые работы автоматизировать сложнее. Объясняется это многообразием выполняемых операций (от посева семян до уборки урожая) и типов машин, разной технологией возделывания культур, зависимостью режима работы сельскохозяйственных машин от рельефа и состояния почвы и т. д. Однако ученые считают, что создание новых видов удобрений, а также средств химической прополки позволит значительно сократить число типов машин, работающих в поле, вплотную подойти к их автоматизации, причем машины будут более совершенны, цадежкы, меньше по размеру, чем современные.
Крупнейший советский специалист в области машиностроения академик И. И. Артоболевский говорил, что если значительно увеличить скорость пахоты и некоторых других операций по обработке почвы, то это позволит применять плуги с вибрирующими органами, автоматически настраивающимися на оптимальное качество работы. Основным типом посевного агрегата станет комбинированная сеялка, оборудованная специальными устройствами, позволяющими сразу выполнять несколько операций, например обработку почвы, сев, внесение удобрений. Такие комбинированные машины легче автоматизировать и с одного пульта управлять несколькими из них,
142
работающими на полб. Использгование лазерной техники вместо механических режущих и? измельчающих аппаратов-позволит полнее механизировать уборку сельскохозяйственных культур.
Специалисты намечают контуры теплиц, оборудованных системами автоматического регулирования освещения, температуры, влажности воздуха. В распоряжении селекционеров уже есть автоматизированные установки — фитотроны — небольшие по размеру камеры с почвой, в которых названные выше параметры поддерживаются автоматически.
На животноводческих фермах раздача кормов, уборка навоза, включение технологических и облучающих установок будут полностью автоматизированы. Не менее широкой автоматизации подвергнутся и птицефабрики. Управлять такими сельскохозяйственными предприятиями, так же как и заводами, будут автоматизированные системы управления.
То, о чем мы рассказали, не фантазия, а реальные планы ученых. По мнению специалистов, автоматизированные тока и тракторы, управляемые на расстояний, в ряде стран появятся уже в 80-х годах. Ойи будут работать по программе, записанной на магнитной лепте, а весь технологический процесс будет контролироваться вычислительными устройствами.
Автоматика не имеет пределов в своем развитии. По существу мы находимся лишь в начале периода жизни человечества, который называется веком автоматики. Сделать автоматику еще более могучей, реализовать все возможности, заложенные в ней, смогут лишь те из вас, кто сумеет овладеть знаниями, которые человечество по крупинкам собирало в течение всей своей истории.
ПРИЛОЖЕНИЕ
ЕСЛИ ПОНРАВИЛОСЬ, СДЕЛАЙ САМ!
Книга, которую вы прочли, позволила вам, дорогие читатели, ненадолго заглянуть в мир, названный емким словом «автоматика». Вы узнала, как были созданы и работают всевозможные автоматические помощники человека. Но, читая эту книгу, некоторые из вас, наверно, подумали, что все эти автоматы рождаются где-то далеко от вас: на заводах, электростанциях, в лабораториях ученых. А сделать что-то самому вряд ли удастся, ведь времена Гемфри Поттера давно прошли.
Ошибочные мысли!
Я уверен, что Гемфри Поттер изобрел автоматическое устройство для открывания и закрывания клапанов-заслонок паровой машины прежде всего потому, что был любознательным, интересовался всем не совсем, понятным и имел огромное желание разобраться в этом непонятном.
Прошли столетия, техника далеко шагнула вперед, а вот стремление проникать в неизведанное у людей вообще; а у юношества в особенности, не ослабевает. И это дает свои результаты. Посетите, например, ВДНХ СССР. Сколько интересных машин, в том числе и автоматических, сделано молодыми руками!
Сейчас при приеме в ПТУ, в вуз абитуриента часто спрашивают: «Умеешь работать руками? Сумеешь собрать транзисторный радиоприемник, модель планера, трактора или комбайна? Увлекаешься ли радиолюбительством?»
Вопросы эти — не праздное любопытство. Опыт показывает, что ребята, которые с малых лет дружат с техникой, быстрее находят свое место в жизни и становятся
144
хорошими специалистами своего дела независимо от того, в какой сфере народного хозяйства им приходится работать.
Для тех из вас, кто хочет попробовать своими руками сделать то или иное автоматическое устройство, которое может быть полезным дома или в школе, в приложении опубликовано несколько интересных, на наш взгляд, электронных схем. Монтируя и налажийая эти устройства, вы глубже усвоите электронику и получите первые представления о той помощи, которую приносит автоматика в повседневной жизни, в быту.
КОДОВЫЕ ЗАМКИ
Кодовый замок можно установить на дверце шкафа или сейфа, на дверь в помещение. Чтобы открыть его, ключ не нужен, но нужно знать секрет (код),< заложенный в схему замка. Такой код обычно состоит из нескольких цифр, которые в определенной последовательности набираются с помощью пронумерованных кнопок. Замок автоматически открывается только в том случае, если набор произведен правильно. В простейших кодовых замках неверный набор цифр просто не позволяет открыть замок. Более сложные схемы предусматривают защиту от попыток подобрать код путем последовательного набора различных вариантов. При неправильном наборе замок с такой схемой запирается наглухо и уже не может быть открыт снаружи. Кроме того, подается сигнал тревоги. Запирать таким замком квартиры нельзя, так как после неправильного набора заМок запрется наглухо и даже сам хозяин не сумеет его открыть снаружи.
, Кодовые замки удобно устанавливать па дверях помещений, куда имеют доступ многие лица. Наличие кодового замка освобождает их от необходимости носить с собой ключ. Удобство кодового замка заключается также в том, что его схема позволяет быстро сменить код, а это равносильно замене обычного замка.
Рассмотрим теперь несколько схем кодовых замков»
Простейший кодовый замок без защиты
• Схема простейшего кодового замка без защиты показана па рцсунйе 1. Для изготовления этого устройства нужны понижающий трансформатор, предохранитель, шесть переключателей типа «тумблер», семь кнопок, из которых две работают на включение, а пять — на переключение, диод, конденсатор, звонок, лампочка накаливания и электромагнит. Схема работает следующим образом. Когда выключатель В6 включен, на первичную обмотку трансформатора поступает питание от сети переменного тока и на вторичной, обмотке появляется цодиженноо напряжение. Это'напряжение выпрямляется диодом и сглаживается конденсатором. Поло-
6 Заказ ,3323	145
36
Рис. 1
жение переключателей В1—В5 представляет собой код замка-. Установка переключателя в верхнее по схеме положение для прохождения тока по цепи должно соответствовать ненажатому положению кнопки, имеющей такой же номер, что и переключатель. Если же переключатель стоит в нижнем по схеме положений, цепь разрывается и, чтобы ее восстановить, нужно нажать соответствующую кнопку. На схеме в нижнем положении находятся переключатели В2 и ВЗ. Это означает, что установлен код. «23». Если будут одновременно нажаты кнопки Кн2 и КнЗ, цепь будет восстановлена, по обмотке электромагнита ЭМ потечет ток, сердечник • электромагнита втянется внутрь катушки и своей тягой откроет замок. Когда кнопки будут отпущены, цепь разомкнется и вернется в исходное положение. Одновременно со срабатыванием электромагнита загорается лампочка, сигнализирующая о том, что дверь можно открыть. Итак, цепь питания электромагнита замыкается только в том случае, если нажаты кнопки установленного переключателями кода. Нажатие других кнопок создает дополнительные разрывы в цепи. Поэтому нажатие всех кнопок одновременно не обеспечивает отпирания замка.
Для посетителем, не знающих кода, предназначена кнопка Нн7 с надписью «Вызов». При нажатии этой кнопки срабатывает звонок. Чтобы открыть дверь изнутри, служит кнопка Кнб. При ее нажатии замыкается цепь кодовых переключателей и кнопок,
146
срабатывает электромагнит, зажигается лампочка, и посетитель может открыть дверь.
Код замка устанавливается переключением кодовых переключателей в нижнее по схеме положение. Установка нового кода занимает всего несколько секунд. Код может быть однозначным, если только один кодовый переключатель установлен в нижнее положение, двузначным, если два кодовых переключателя установлены в нижнее положение, трехзначным, четырехзначным и пятизначным, когда все пять переключателей стоят в нижнем положении. При наличии пяти кодовых переключателей и пяти кнопок количество возможных кодов составляет 31, но оно может быть увеличено, если увеличить количество кодовых переключателей и кнопок. Так, при шести переключателях количество возможных кодов увеличивается до 63, при семи — до 127, при десяти — до 1023.
Трансформатор собирается на сердечнике из пластин трансформаторной стали типа Ш-16, толщина пакета 20 мм. Первичная обмотка, рассчитанная на напряжение 220 В, наматывается проводом марки ПЭЛ или ПЭВ диаметром 0,12 мм. Первичная обмотка содержит 2200 витков. Наматывается обмотка рядовым способом виток к витку. Между слоями обмотки прокладывается один слой бумаги. Вторичная обмотка содержит 240 витков провода марки ПЭЛ или ПЭВ диаметром 0,41 мм.
Электромагнит представляет собой цилиндрическую катушку, намотанную на каркасе, склеенном из прессшпана или картона. Внутренний диаметр каркаса 25 мм, длина каркаса 85 мм, диаметр щечек 65 мм. Катушка наматывается проводом ПЭЛ или ПЭВ диаметром 0,35 мм и должна содержать 5000 витков. Намотка производится виток к витку с прокладкой слоя бумаги между слоями обмотки. Сопротивление катушки постоянному току составляет около 120 Ом. Сердечник электромагнита выполняется в виде цилиндра из мягкой стали диаметром 24 мм и длиной 90 мм.
Остальные детали схемы покупные.
Возможны два варианта конструктивного выполнения схемы. Особенность конструкции первого варианта заключается в том, что схема кодового устройства выполняется в одном футляре, а в двери прорезается отверстие по размерам этого футляра. На передней панели футляра размещаются кнопки набора кода Кн1— Кн5 и кнопка вызова а также табло с надписью «Войдите», освещаемое изнутри лампочкой Л. На задней панели футляра размещаются кодовые переключатели В1—B5S выключатель питания В6 и гнездо предохранителя. Остальные элементы схемы помещаются внутри футляра. Футляр крепится па двери изнутри так, чтобы его передняя панель через отверстие в двери выходила наружу.
Если нет возможности прорезать отверстие в дверйГ, кодовое устройство выполняется в двух раздельных футлярах: в пёрвом — кнопки набора кода, кнопка вызова и табло, а во втором — все остальные детали. Первый футляр крепится снаружи на двери, а второй — в комнате. При таком выполнении футляры должны быть соединены между собой многожильным жгутом проводов, так что схема соединений усложняется.
Электромагнит располагается на двери рядом с замком, в качестве которого используется накладной замок дверной с 6*	147
Д1
Рис. 2.
цилиндровым механизмом типа ШПР-237. Наружный крючок этого замка, предназначенный для его открывания, соединяется тягой с электромагнитом.
Кнопка Кнв, с помощью которой замок может быть открыт изнутри, располагается в удобном для дистанционного управления кодовым замком месте.
Кодовый замок с защитой
? Предыдущая схема кодового замка может быть дополнена системой защиты от попыток подбора кода. Такая схема показана на рисунке 2. В нее входят двухполюсные кодовые, переключатели, двухполюсные кнопки набора кода и реле; Принцип установки Кода и цепь включения тягового электромагнита при правильном наборе кода кнопками не отличаются гот: рассмотренных в предыдущей схеме. На схеме показано, что кодовыми переключателями набран код «23». Поэтому?-при одновременном нажатии
148
кнопок Кн2 и КнЗ цепь питания обмотки электромагнита замыкается, оп срабатывает, зажигается сигнальная лампочка и замок открывается. При этом обмотка реле Р остается обесточенной и контакты этого реле Р1 находятся в том положении, которое показано па схеме. Если же будет нажата одна из кнопок, не соответствующих установленному коду, подается питание на реле. Оно срабатывает, и контакты Р1 переключаются в нижнее по схеме положение. При этом цепь питания электромагнита' разрывается и он уже не сможет быть включен даже при последующем правильном наборе кода. Питание обмотки реле сохраняется даже после того, как неправильно нажатая кнопка будет отпущена, так как замкнувшиеся контакты реле шунтируют эту кнопку и в дальнейшем питание обмотки реле происходит через замкнутые контакты этого же реле. Параллельно реле подключен звонок с последовательно включенным в его цепь диодом Д2. Направление тока в цепи таково, что диод оказывается включен в прямом направлении. Поэтому звонок начинает звонить непрерывно. Такое состояние схемы сохранится до тех пор, пока не будет открыта дверь. Для этого кнопкой Кнб подается питание на электромагнит, замок открывается. И после того как откроется дверь, разомкнутся нормально замкнутые контакты БК блок-контакта двери. При этом питание с кодового устройства снимается, реле обесточивается и схема возвращается в исходное состояние. После того как дверь будет закрыта, блок-коптакт БК замкнется и па кодовое устройство вновь будет подано питание. Кнопка вызова Кн7 осуществляет подачу питания па звонок посетителем, не знающим кода. При нажатой кнопке вызова диод Д2 препятствует срабатыванию реле, так как оказывается включенным в обратном направлении. В режиме вызова звонок работает только в течение того времени, когда нажата кнопка вызова. Этим отличается режим вызова от реяшма, когда звонок непрерывно звонит. Конструкции трансформатора и электромагнита такие же, как и в схеме простейшего кодового замка. В качестве реле можно использовать реле типа РСМ-2 паспортов РФ4.500.023П1, РФ4.500.025П1, РФ4.500.034Ш или РФ4.500.021Ш. Реле типа РСМ-2 имеет по одной паре замыкающихся и размыкающихся контактов. По одному из каждой пары контактов нуясно замкнуть между собой, чтобы получить переключающиеся контакты. Можно также использовать в схеме реле типа РЭС-9 паспортов РС4.524. 200П2, РС4.524.201П2 или РС4.524.209П2 или любое другое реле с одной группой переключающихся контактов и с обмоткой, рассчитанной на рабочее напряжение 27 В.
Кодовый замок с защитой и поочередным набором кода
Принцип работы этого кодового замка отличается от предыдущих тем, что допускает не только одновременное, но поочередное нажатие кнопок набора кода. Схема такого кодового замка показана на рисунке'3. Помимо выпрямителя, кнопок набора кода и электромагнита с сигнальной лампочкой, схема содержит четыре реле, десять однополюсных гнозд- п десять однополюсных вилок. Набор кода осуществляется тремя вилками Ш1, Ш2 и ШЗ, причем
149
4/ Д4
MfJ
1X XX X X X X XX
И Г2 ГЗ Г4- Г5 Гб П Г8 Г9 ГО
Кн11
PI/1
' Р9/1
UM Ш5 Ш6 Ш7 Шв IU9 то
UJf U12 ШЗ.
Д$ф ф /ч
шо
Рис. 3.
150
вилке Ш1 соответствует первая цифра кода, вилке Ш2 — вторая, а вилке ШЗ — третья. Для набора кода вилки ZZ77, Ш2 и ШЗ включаются в какие-либо три из десяти гнезд ГО—Г9. Допустим, что вилка Щ1 включена в гнездо Гб, вилка Ш2 — в гнездо Г2, а вилка ШЗ — в гнездо Г8. Это соответствует коду «528». Остальные семь вилок включаются в оставшиеся семь гнезд в любом порядке. Если теперь при включенном питании сначала нажать кнопку Кнб, потечет ток от «+» выпрямителя через блок-контакт БК закрытой двери, через замкнутую кнопку Кнб, гнездо 7’5, вилку Ш1 и обмотку реле Р1 к «—» выпрямителя. Реле Р1 сработает, и замкнутся его контакты Plfl. В результате кнопка Кнб зашунтируется этими контактами и после того, как кнопку отпустят и ее контакты разомкнутся, реле Р1 останется включенным. При этом будет течь ток по цепи от «+» выпрямителя через блок-контакт БК, замкнутые контакты Р4/1 (контакты реле Р4), замкнутые контакты Plfl, диод Д5 и обмотку реле Р1 к «—» выпрямителя. Далее нажмем кнопку Кн2. Теперь сработает реле Р2, так как его обмотка вилкой Ш2 присоединена к гнезду Г2. После отпускания кнопки Кн2 реле Р2 останется включенным, благодаря тому что контакты P2fl замкнутся при срабатывании реле Р2. Если теперь нажать кнопку Кн8, сработает реле РЗ, обмотка которого вилкой ШЗ подключена к гнезду Г8. После отпускания кнопки Кн8 реле РЗ остается включенным благодаря замыканию контактов P3fl, через которые осуществляется питание обмотки реле РЗ после отпускания кнопки. В результате замыкания контактов Plfl, Р2/1 и РЗ/1 срабатывает электромагнит ЭМ и зажигается лампочка U7. При этом ток электромагнита протекает но цепи от «-)-» выпрямителя через блок-контакт БК, замкнутые контакты P4fl, замкнутые контакты Plfl, P2fl, PS'f'l, обмотку электромагнита и «—» выпрямителя. Таким образом, после правильного набора кода электромагнит срабатывает и остается включенным, несмотря на то что кнопки отпущены. При открывании двери размыкается блок-контакт БК и схема обесточивается. Все три реле и электромагнит выключаются. После закрывания двери блок-контакт вновь замыкается и схема возвращается в исходное состояние.
Вызов осуществляется нажатием кнопки КнЮ. При этом начинает работать звонок. При отпускании кнопки КнЮ звонок прекращает работать. Дистанционное открывание двери производится с помощью кнопки К нН. При нажатии этой кнопки срабатывает электромагнит и загорается сигнальная лампочка. Кроме того, через диод Д7 подается также питание па обмотку реле РЗ и опо срабатывает. Замыкаются контакты РЗЦ, и через них, а также ч’ерез последовательно включенный диод Д6 подается питание на обмотку реле Р2. Реле Р2 срабатывает. Далее через замкнувшиеся контакты P2fl и диод Д5 подается питание на обмотку Р1 и оно срабатывает. Тогда замыкаются контакты Plfl. Теперь даже после отпускания кнопки дистанционного управления замком Кн11 электромагнит останется включенным, как и все реле, до тех пор пока не будет открыта дверь и не разомкнется блок-контакт БК.
Аналогично работает схема пои одновременном нажатии кнопок набора правильного хода (в данном случае кнопок Кн2, Кнб и Кн8). Если же набирать код поочередным нажатием кнопок, но в последовательности, не соответствующей коду, замок не откро
151
ется. Предположим, что мы первой нажали кнопку Кн2. При этом по цепи от «+» выпрямителя через нажатую кнопку Кн2, гнездо Гн2, вилку Ш2 и обмотку реле Р2 потечет ток. Реле Р2 сработает, и замкнутся контакты Р2Ц. Однако, в связи с тем что контакты P7/Z разомкнуты, при отпускании кнопки Кн2 реле Р2 выключится. В этом режйме видно назначение диодов Д5,' Д6 и Д7. Если первой нажата кпопца Кн2 и сработало реле Р2, при отсутствии диода Д6 через замкнутые контакты Р2/1 и диод Д5 было бы подано!питание на обмотку реле Р1. Диод Д6, включенный в обратном направлении для этого , тока, препятствует включению реле Р1. Аналогично при нажатии кнопки Кн8 первой срабатывает реле РЗ, а диод Д7 препятствует срабатыванию электромагнита и реле Р2.
Если будет нажата одна из кнопок, не соответствующих выбранному коду, срабатывает роле Р4и подается питание на звонок через диод Д8, включенный в прямом направлении. Контакты Р4/1 переключаются, цент» питания электромагнита через контакты PlU, Р2Ц, РЗ/1 отключается от выпрямителя, а обмотка реле Р4 подключается к блок-коптакту. Поэтому даже отпускание неправильно нажатой кнопки не приводит к выключению реле Р4 и звонка, сигнализирующего о тревоге.
i Конструкция трансформатора в этой схеме другая. Сердечник собирается из пластин Ш-19, толщина пакета 25 мм. Первичная обмотка содержит 2000 витков провода диаметром 0,18 мм, а ! вторичная 220 витков провода диаметров 0,44 мм. Конструкция электромагнита прежняя.
Реле Pl, Р2 и РЗ — типа РСМ-1 паспортов РФ4.500.022П1, РФ4.500.028П1 или РФ4.500.020П1. При использовании этих реле обе пары контактов соединяются параллельно. Реле Р4 — типа РСМ-2 паспортов РФ4.500.023П1, РФ4.500.025П1, РФ4.500.034П1 или РФ4.£00.021П1. Контакты соединяются для получения переключающейся группы так же, как было; показано при описании предыдущей конструкции кодового 3ajMKaL Можно также использовать все ^етыре одинаковых реле такого же типа, как реЛе Р4. При этом у реле Pl, Р2 и РЗ используется лишь пара замыкающихся контактов. Можно также использовать реле РЭС-9 тех же паспортов, что и в предыдущей конструкции.
 Небольшое усложнение схемы позволяет получить кодовый замок с защитой и поочередным набором кода. Такой Замок нельзя открыть одновременным нажатием кнопок, как это можно было сделать в схеме, показанной на рисунке 3. Схема замка (рис. 4) усложнена использованием двух промежуточных реле. Рассмотрим, как работает устройство, собранное по этой схеме;
Допустим, установлен код «528». Это означает,- что вилка Ш1 включена в гнездо Гн5, вилка Ш2 — в гнездо Гн2, а вилка ЩЗ, — в гцездо Гн8. При нажатии кнопки Кн5 срабатывает, реле Р'1± его контакты Р1/1 замыкаются и срабатывает реле Р2. Замыкаются контакты Р2/1, блокирующие контакты . Pl'll. Поэтому при отпускании кнопки^ Я«5; реле Р1 выключается, но реле Р2 остается включенным. Пока нажата кнопка Кн5\и включено реде Р2, его контакты Р1/2 разомкнуты. Поэтому нажатие кнопки Кн2 одновременно с Кн5 не приводит к срабатыванию реле РЗ. После того как кнопка Кн5 отпущена, реле Р1 выключается и его контакты Р1/2 замыкаются. Если теперь ^лажать кнопку Кн2,
152

gmzm im
"от от gm ип от sm wtz
. о J sj gj и gj sj gj n <n /7
ППППИ
|M jm1	pti/
017 117
сработает реле РЗ через замкнутые контакты Р1/2 и Р2/2. Контакты РЗЦ замкнутся, и сработает реле Р4. Своими контактами Р4Ц оно заблокирует контакты РЗ/1. Поэтому при отпускании кнопки Кн2 реле РЗ выключится, а реле Р4 останется включенным. Пока нажата кнопка Кн2 и включено реле РЗ, его контакты РЗ/2 разомкнуты. Поэтому одновременное нажатие кнопок Кн2 и Кн8 не приводит к срабатыванию реле Р5. Когда же кнопка Кн2 отпущена и реле РЗ выключилось, его контакты РЗ/2 замыкаются. Если теперь нажать кнопку Кн8, сработает реле Р5 через замкнутые контакты РЗ/2 и Р4/2. Одновременно с включением реле Р5 срабатывает электромагнит и загорается сигнальная лампочка. Контакты Р5/1 замыкаются, после чего реле Р5, электромагнит и лампочка остаются включенными и после отпускания кнопки Кн8. Когда открывается дверь, блок-контакт БК размыкается, реле Р2, Р4, Р5 и электромагнит выключаются и гаснет лампочка. После закрывания двери контакты Б К вновь замыкаются и схема возвращается в исходное состояние. Сигнал тревоги, вызов и дистанционное управление осуществляются так же, как и в схеме, показанной па рисунке 3.
Реле Р1, РЗ и Р6, используемые в этой схеме, типа PGM-2, а Р2, Р4 и Р5 — типа РСМ-1, с теми же номерами паспортов, что указано выше. Контакты обеих пар реле Р5 соединяются параллельно. Количество возможных кодов, обеспечиваемых схемами, показанными на рисунках 3 и 4, составляет 720. Во всех рассмотренных схемах вместо диодов Д226Б можно использовать Д226В, Д226Г или Д226Д.
ЭЛЕКТРОННЫЕ ЗВУКОВЫЕ СИГНАЛИЗАТОРЫ
Электронные звуковые сигнализаторы иногда называют электронными звонками, хотя по характеру звучания они значительно отличаются от последних. Популярность электронных сигнализаторов объясняется тем, что они позволяют получить не совсем обычное звучание сигнала и, кроме того, есть возможность изменения тональности сигнала. Может быть получен непрерывный звук одного тона, прерывистый одного или двух чередующихся тонов, а также звучание типа сирены, когда высота топа плавно поднимается и понижается. В зависимости от назначения сигнализатора легко подобрать также и тембр звука. Звук может быть сделан мягким, приятным, если сигнализатор предназначен для подачи информирующего сигнала или сигнала об исправности какого-либо устройства. Такие сигналы обычно делаются непрерывными и не слишком громкими. Прерывистые сигналы или сигналы типа сирены подаются обычно в целях тревоги, когда сигнал должен быть обязательно всеми услышан и привлечь к себе внимание. Поэтому тревожные сигналы делаются резкими, отрывистыми и достаточно громкими.
Питание электронных звуковых сигнализаторов обычно производится от источников низкого напряжения: батарей или низковольтных выпрямителей. Потребляемая мощность также обычно невелика.
Одно из возможных применений электронного звукового сигнализатора может заключаться в его использовании в составе
154
rw
пж т т МП25А Г~
С 2	+
Л/
Ct
V
200К
Рис. 5
кодового замка вместо звонка . При этом питание сигнализатора может производиться от того же выпрямителя, от которого питается схема кодового замка.
Рассмотрим несколько схем электронных звуковых сигнализаторов.
Звуковой сигнализатор на одном транзисторе
Схема электронного звукового сигнализатора, собранного па одном транзисторе, показана на рисунке 5. В качестве источника звука в этой и последующих схемах используется капсюль ДЭМ. Сигнализатор представляет собой звуковой генератор, собранный по схеме емкостной трехточки с заземленной по переменному току базой. Индуктивность капсюля ДЭМ включена между коллектором транзистора и шиной общего минуса, т. е. между коллектором и базой, так как база по переменному току заземлена. Одной емкостью трехточки служит конденсатор С2, включенный между коллектором и эмиттером, а второй — конденсатор СЗ, включенный между базой и эмиттером. Чем меньше емкость конденсатора СЗ, тем больше положительная обратная связь и надежнее генерация. Емкости конденсаторов С2 ц СЗ, показанные на схеме, обеспечивают устойчивую генерацию при статическом коэффициенте передачи тока базы порядка 20 и более. Если коэффициент передачи тока базы транзистора меньше, можно уменьшить емкость конденсатора СЗ. Конденсатор С2 может быть взят любого типа, например КБГИ или МБМ, а конденсаторы С1 и СЗ — электролитические типа К73-1, К50-3 или К50-ЗА, рассчитанные на рабочее напряжение по менее 25 В.
Чтобы изменить частоту сигнала (топ звука), нужно изменить емкость конденсатора С2, При увеличении емкости этого конденсатора тон понижается, и наоборот. Но при уменьшении емкости конденсатора С2 могут нарушиться условия гепераций из-за уменьшения положительной обратной связи. Поэтому для восстановления генерации может понадобиться одновременно уменьшить емкость конденсатора СЗ, выбор которой также влияет на частоту генерации, но в меньшей степени по сравнению с емкостью конденсатора С2. В небольших пределах на топ звука влияет также сопротивление резистора R1.
Если сигнализатор будет использоваться в составе кодового замка, то его подключают к соответствующим точкам схемы кодового замка. Так, при использовании сигнализатора в ‘ схеме кодового замка (см. рис. 1) вывод «+2'4 В» сигнализатора подключают к неподвижному контакту кнопки Кн7, а вывод «—24 В» — к шине общего «—» кодового замка.
155
Сигнализатор на двух одинаковых транзисторах
Схема сигнализатора, собранного на двух одинаковых транзисторах, показана на рисунке 6. Несмотря на то что эта схема содержит два транзистора, количество пассивных элементов в ней сокращено до минимума. Если предыдущая схема содержала, кроме транзистора и капсюля ДЭМ, еще два резистора и три конденсатора, которые были необходимы для создания положительной обратной связи, использование в схеме второго транзистора позволяет исключить из схемы конденсаторы. Поэто
му схема оказывается проще и может быть выполнена более компактно. Сигнализатор, собранный по этой схеме, создает негромкий непрерывный сигнал, но более резкий, чем в устройстве, только что рассмотренном нами. Тембр сигнала можно смягчить путем подключения
дополнительного конденсатора параллельно выводам капсюля ДЭМ, Чем больше будет емкость этого конденсатора, тем мягче получится звук. Частота звука может в небольших пределах изменяться и путем изменения сопротивления резистора R1. .
Если громкость сигнала, вырабатываемого сигнализатором, собранным по схеме рисунка 6, окажется недостаточной, ее можно увеличить, * заменив транзисторы типа МП25А более мощными — типа ГТ403Б. Необходимо при этом уменьшить сопротивление резистора-R2 до 220 Ом, что обеспечивает протекание большего тока через транзистор Т1, в цепь коллектора которого включен капсюль ДЭМ. Если длительность подачи сигнала будет невелика (не более 10 с), транзисторы ГТ403Б устанавливаются без устройств дополнительного охлаждения. Если же необходима большая длитель-
ность подачи сигнала, нужно предусмотреть специальные меры для охлаждения транзисторов. Для этого достаточно на корпус каждого транзистора плотно надеть отрезок медной, латунной или алюминиевой трубки длиной 20...30 мм.
Сигнализатор на двух транзисторах разного типа
Схема этого сигнализатора (рис. 7) обеспечивает наибольшую громкость сигнала цо сравнению с другими рассмотренными выше схемами. Резиетор R2 ограничивает коллекторный ток транзистора Т1. Если длительность подачи сигнала будет большой,
156
необходимо надеть на корпус транзистора Т2 охлаждающий радиатор в виде отрезка медной, латунной или алюминиевой трубки длиной 20...30 мм и подходящего диаметра для плотной посадки. Наибольшая громкость сигнала, получаемая в этом устройстве, объясняется тем, что коллекторный ток открытого транзистора Т2 ограничен лишь внутренним сопротивлением капсюля ДЭМ, в то время как в схеме, показанной на рисунке 6, коллекторный ток транзистора дополнительно огра^ ничивается эмиттерным резистором R2.
Двухтональный сигнализатор типа сирены
Схема такого сигнализатора показана ла рисунке 8. Эта схема, конечно, несколько сложнее предыдущих и собрана па четырех транзисторах. Транзисторы Т1 и Т2 образуют мультивибратор, собранный по симметричной схеме. Он вырабатывает прямоугольные щмпульсы очень низкой частоты — порядка Долей герца. В схеме мультивибратора транзисторы открываются и запираются поочередно: когда транзистор Т1 закрыт, транзистор Т2 открытии насыщен и наоборот. Потенциал коллектора Запертого транзистора Т2 практически равен потенциалу «—» источника питания* а открытого — потенциалу «+» источника питания.
Транзисторы ТЗ и Т4 образуют схему звукового сигнализатора, аналогичную той, которая показана на рисунке 6. Р'аЗница состоит в том, что на схеме рисунка 6 резистор R1 был постоянно подключен к «—» источника питания. Поэтому сигнализатор =
Рис. 8
157
выдавал сигнал одного определенного тона. На схеме, показанной на рисунке 8, аналогичный резистор В5 поочередно подключается то к «—», то к «-)-» источника питания. Поэтому высота тона сигнала изменяется. Конденсатор СЗ обеспечивает преобразование прямоугольных импульсов на коллекторе транзистора Т2 в треугольные на базе транзистора ТЗ. Поэтому высота тона сигнала изменяется не скачкообразно, а плавно. Если изъять конденсатор СЗ, то высота тона сигнала будет изменяться скачком.
Изменением емкостей конденсаторов С1 и С2 можно изменить частоту переключения мультивибратора, т. е. частоту изменения тона звучания сигнализатора. При этом для увеличения частоты емкости конденсаторов нужно уменьшить, а для уменьшения частоты — увеличить.
В этой схеме сигнализатора, так же как и в предыдущих, транзисторы ТЗ и Т4 находятся в форсированном режиме. Если, длительность подачи сигнала не превысит 10 с, можно обойтись без дополнительных устройств охлаждения корпусов этих транзисторов. Если необходима длительная рабрта сигнализатора, на корпус каждого из этих двух транзисторов плотно надевается тецло-отводящий радиатор в виде отрезка трубки из меди, латуни или алюминия длиной 20...30 мм.
Увеличение громкости звучания сигнализатора
Громкость звучания рассмотренных выше сигнализаторов не всегда может быть достаточной, так как мощность звукового сигнала, излучаемого капсюлем ДЭМ, сравнительно мала. Если необходимо обеспечить значительно большую громкость, к выходу сигнализатора подключают дополнительный усилитель низкой частоты. Схема такого усилителя показана на рисунке 9. Он содержит небольшое количество деталей и может обеспечить необходимую громкость сигнала в большом помещении. Смонтированный усилитель своими входными клеммами подключается к выводам капсюля ДЭМ сигнализатора, выполненного по любой из рассмотренных выше схем. При этом провод, соединенный с выводом «—24 В» усилителя, соединяется с выводом «—24 В» сигнализатора. Сопротивление резистора R1 усилителя подбирается экспериментально по наилучшему качеству звука и наибольшей громкости сигнала. В качестве громкоговорителя можно использовать любую динамическую головку прямого излучения (динамик), например 1ГД-18 или 2ГД-3. Капсюль ДЭМ из схемы не исключается.
Питание сигнализатора
Если электронный звуковой сигнализатор работает в составе кодового замка, то оба этих устройства могут питаться от одного и того же выпрямителя. При этом клеммы питания «—24 В» сигнализатора подключаются к выводам «Зв» кодового замка так, чтобы клемма «—24 В» соединялась с минусовым выводом конденсатора фильтра выпрямителя С. Увеличивать мощность выпрями-
158
Рис. 9
теля кодового замка по требуется, так как звуковой сигнализатор никогда но работает вместе с электромагнитом и, следовательно, выпрямитель кодового замка имеет резерв мощности.
Если же звуковой сигнализатор используется самостоятельно, его схема должна содержать выпрямитель. Такой выпрямитель может быть собран по тем же схемам и с теми же данными, которые использовались в схемах кодовых замков. При изготовлении звукового сигнализатора по схемам, показанным на рисунках 5 и 6, выпрямитель можно собрать по схеме кодового замка (см. рис. 1). Выпрямитель состоит из силового трансформатора Тр, в цепь первичной обмотки которого включены тумблер (—) для включения питания и предохранитель, диода Д и конденсатора фильтра С. Вывод «—24 В» сигнализатора соединяется с минусовым выводом конденсатора С выпрямителя. Вывод «+24 В» сигнализатора подключается к плюсовому выводу конденсатора С через кнопку, которой осуществляется подача звукового сигнала. При изготовлении звукового сигнализатора по схеме, показанной на рисунках 7 и 8 или при использовании любой схемы сигнализатора вместе с усилителем (см. рис. 9) следует использовать более мощный выпрямитель, например тот, который содержится в кодовом замке, собранном по схеме рисунка 3.
ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ ЕЛОЧНЫХ ГИРЛЯНД
Новогодняя елка с многочисленными сверкающими елочными игрушками выглядит особенно празднично и ярко, если украсить ее гирляндами разноцветных лампочек. Елочные гирлянды можно купить в магазинах или изготовить самостоятельно. Особенно красивой становится елка, если гирлянды автоматически переключаются. Елка при этом оживает, огоньки лампочек или фонариков отражаются разноцветными блестящими игрушками. Если использовать несколько гирлянд, можно расположить их на елке так, чтдбы при переключениях получился эффект бегущих огней. Рассмотрим различные схемы переключателей елочных гирлянд.
159
Самодельные елочные гирлянды
Для изготовления елочных гирлянд наиболее подходящими являются маленькие электрические лампочки примерно такого * размера, как лампочки от карманного фонаря. Мощность лампочек . должна быть небольшой, не более 3 Вт. При такой мощности лампочки будут достаточно слабо нагреваться, что необходимо в слу
чае их окраски или при изготовлении цветных фонариков. Чем больше напряжение, па которое рассчитана лампочка, тем меньше лампочек понадобится для одной гирлянды. Обычные лампочки Для карманного фонаря, рассчитанные на напряжение 3,5 В, поэтому непригодны, так как при напряжении в сети переменного тока, равном 220 В, каждая гирлянда должна была бы содержать не менее 63 лампочек.
Простейшие переключатели
Схема простейшего переключателя елочной гирлянды показана на рисунке 10. В этой схеме прерывателем служит стартер, который используется для запуска ламп дневного света. Стартеры бывают двух разновидностей: 127 В и 220 В. Гирлянда на схеме условно показана в виде одной лампочки и обозначена буквой Л. После подключения к сети смонтированного по этой схеме устройства стартер начнет периодически включать и выключать гирлянду. Если Параллельно* стартёру установить конденсатор, частота переключения гирлянды уменьшится. При этом, чем больше ^йость конденсатора, тем меньше частота вспышек.
Используя рассмотренный выше принцип, можно произвести коммутацию нескольких гирлянд отдельными стартерами, как показано на рисунке И. Параллельно стартерам подключены конденсаторы разной емкости. Поэтому частоты переключения гирлянд будут различными. На схеме показано подключение к сети трех гирлянд, но число их может быть увеличено. При этом, конечно, придется соответственно увеличить и количество стартеров.
Можно немного изменить схему и использовать всего два стартера для коммутации трех гирлянд (рис. 12). Если оба стартера разомкнуты, все три гирлянды соединены последовательно и слабо горят. Когда замкнут стартер С ml, а стартер Cm2 разомкнут, гирлянда Л1 горит ярко>, а остальные гирлянды гаснут. Если разомкнут Ст1, а замкнут Cm2, ярко горит гирлянда. ЛЗ^ а остальные гаснут. Наконец, когда оба стартера замкнуты, ярко загораются все три гирлянды. В связи с тем что частоты работы стартеров неодинаковы, чередование зажигания гирлянд оказывается непериодическим и длительность их горения получается различной, Это устраняет монотонность, периодического чередо-
: 160
Ст 3
СЗ II 0,33
лз
Рис. И
вания зажигания гирлянд, которое характерно для обычно используемых схем.
Конденсаторы, используемы© в рассмотренных схемах, должны быть рассчитаны на рабочее напряжение 400 В. Можно использовать конденсаторы типа КБГИ, КБ ГМ, БМТ, К40П-1, Ц40П-3 или К40У-9.
Переключатель гирлянд на электромагнитном реле
Схема этого несложного переключателя показана на рисунке 13. При подключении переключателя к сети через нормально замкнутые контакты реле Р1 зажигается гирлянда Л2. Одновременно начинается заряд конденсатора С выпрямленным током через резисторы Rl, R2 и диод Д. Когда напряжение на конденсаторе нарастет до напряжения срабатывания реле Р (около 20 В),, реле сработает. В результате срабатывания реле контакты Р1 перебросятся. Поэтому гирлянда Л-2 погаснет, а гирлянда Л1 загорится. Реле остается в таком состоянии некоторое время, так как. начинается разряд конденсатора через обмотку реле. По мере разряда напряжение на конденсаторе л на обмотке реле уменьшается. Когда напряжение упадет примерно до 4 В, реле отпустит. Его контакты перебросятся в положение, показанное на схеме, гирлянда .Л1 погаснет, гирлянда Л2 загорится и вновь начнется процесс заряда конденсатора. Этот цикл будет повторяться.
В схеме используется переменный резистор любого тцпа, электролитический конденсатор типа К50-3, К50-ЗА, КбОгЗБ.или^ К50-6 и реле типа ₽КН паспорта. РС4.500.086П2. Это. реле, имеет сопротивление обмотки постоянному току 4000 Ом и тек срабатывания
161
5 мА. Можно также использовать реле РКМП паспорта РС4. 523.635Сп. Если таких реле по удастся достать, можно применить в схеме малогабаритное реле типа РЭС-15 паспорта РС4.591.001П2 или ХП4.5Й1.008П2 с сопротивлением обмотки 2200 Ом и током срабатывания 8,5 мА, но при этом придется увеличить емкость конденсатора до 1000 мкФ.
Схема не требует никакого налаживания и должна начать работать сразу после сборки и включения. Регулировкой переменного резистора R2 можно подобрать нужную длительность горения гирлянд в пределах от 0,5 до 1,0 с. Переменный резистор R2 можно исключить из схемы, подобрав подходящее сопротивление постоянного резистора R1. При увеличений сопротивления резистора R1 длительность горения гирлянды Л2 возрастает, а гирлян-. ды Л1 не изменяется, так как для нее длительность горения определяется временем разряда конденсатора на обмотку реле. При желании увеличить длительность горения гирляйды Л1 нужно увеличивать емкость конденсатора.
Габариты переключателя, собранного по схеме рисунка 13, можно резко сократить, если поставить поляризованное реле типа РПС-18/7 паспорта РС4.521.851П2. Оно имеет три обмотки: одна выведена на контакты 1 и 2, вторая — па контакты 3 и 4, а третья— на контакты 5 и 6. В схеме используются только первые две обмотки, соединенные последовательно. Для этого контакты 1 ы 4 соединяются перемычкой, а контактами 2 и 3 реле подключается к схеме, причем верхний по схеме контакт должен служить контактом 2, а нижний — контактом 3. Подвижный контакт реле обозначен буквой Я, неподвижный нормально замкнутый контакт — буквой 77, а нормально разомкнутый контакт — буквой Л, При последовательном соединении обмоток реле их сопротивление раино 24 кОм, а ток срабатывания — всего 0,5 мА. Это позволяет использовать конденсатор сравнительно малой емкости — 100 мкФ, рассчитанный на рабочее напряжение 12 В. При использовании этого реле сопротивление резистора R1 увеличивается до 100 кОм, а сопротивление резистора R2 — до 470 кОм. Длительность горения гирлянды Л2 удается регулировать в пределах от 0,5 до 3...4 о.
102
Л! Д 2tf	Rf 300к
Рис. 14
Переключатель с неоновой лампой
В предыдущей схеме переключателя использовался конденсатор большой емкости, так- как постоянная времени цепи его заряда, которая определяет длительность горения Одной из гирлянд, зависит от сопротивления обмотки реле, а оно не мо&ет быть сделано достаточно большим. Схема переключателя с неоновой лампой (рис. 14) лишена этого недостатка благодаря тому, что неоновая лампа отключает обмотку реле от конденсатора на время его заряда. В этой схеме используется поляризованное реле с нейтральной регулировкой контактов. Такая регулировка характерна тем, что подвижный контакт при обесточенном реле остается соединенным с тем неподвижным контактом, к которому он был переброшен при последнем включении реле. Выводы обмотки реле имеют начало и конец. Если ток протекает через обмотку от начала к ее концу, подвижный контакт замыкается с правым неподвижным контактом П. Если же ток через обмотку протекает в обратном направлении, подвижный контакт перебрасывается к левому неподвижному контакту Л.
Рассмотрим теперь, как работает переключатель. Допустим, что при включении питания подвижный контакт реле Я был подключен к левому неподвижному контакту. Тогда загорается гирлянда Л2, заряжается конденсатор С2 и начинается заряд конденсатора СЗ. Этот заряд происходит медленно, так как постоянная времени заряда велика и определяется произведением суммы сопротивлений резисторов R1 и R3 на емкость конденсатора' СЗ. В связи с тем что сопротивление цепи велико, можно выбрать конденсатор небольшой емкости. По мере заряда напряжение на конденсаторе СЗ растет, причем полярность этого напряжения такова, что на верхнем по схеме выводе СЗ образуется «+».
163
Напряжение нарастает до тех пор, пока не достигнет напряжения ! зажигания неоновой лампы, а для лампы МЫЗ оно равно 65 В. J Когда напряжение на конденсаторе станет равным напряжению I зажигания неоновой лампы, она загорится и по обмотке реле- потечет ток сверху вниз, т. е. от начала к концу. Ток будет импульс-  ным, очень кратковременным, так как постоянная времени раз- ' ряда конденсатора мала: он разряжается на сравнительно небольшое сопротивление обмотки реле. Однако даже коротким импульсом тока подвижный контакт реле перебрасывается в. правое положение. Контакты Я—Л разомкнутся, а контакты Я—П замкнутся. . Гирлянда Л2 погаснет, а гирлянда Л1 загорится. Зарядится кон- * денсатор С1, и начнется заряд конденсатора СЗ, по уЖе отрицатель- ; ным напряжением (на верхнем по схеме выводе СЗ образуется «—»). По мере заряда напряжение на конденсаторе СЗ растет. ; Когда оно достигнет определенного значения, зажжется неоновая ; лампа и произойдет быстрый импульсный разряд конденсатора ] СЗ на обмотку реле через горящую неоновую лампук Теперь ток через обмотку реле поменяет направление. Поэтому подвижный контакт перебросится в левое положение. Контакты Я—Я разомкнутся, а контакты Я—Л замкнутся. Гирлянда Л1 погаснет, а гирлянда Л2 вновь загорится. Вновь, начнется заряд конденсатора . СЗ положительным напряжением. ,
Работа схемы характерна тем, что длительность горения обеих гирлянд одинакова, регулируется в широких пределах с помощью переменного резистора R3, а реле и неоновая лампа работают в импульсное режиме.
• Конденсаторы С1 и С2 типа КБГИ, КБГМ, БМ.Т, К40П-1, К4ОП-3 или К4ОУ-9, СЗ — типа МБГО. Рабочее напряжение конденсаторов €1 и С2 не менее 400 В, конденсатора СЗ—160 В. При-отсутствии лампы МНЗ можно использовать неоновую лампочку TH-ОД напряжение зажигания которой составляет ,85 В. Реле типа РПС-4 паспорта РС4.520.350П2 илиРП4 паспорта РС4.520.005П1, Можно также использовать реле РП4 паспорта РС4.520.008П1. Все эти реле имеют две обмотки. Начала обмоток выведены на контакты 1 и 3, а концы обмоток — па контакты 2 и 4. Контакты 2 и 3 нужно соединить перемычкой, контакт 1 используется в качестве верхнего по схеме вывода реле, а контакт 4 —нижнего.
Переключатель для поочередного зажигания трех гирлянд
Особенность работы переключателя, собранного, по ..схеме на рисунке 15, состоит в том, что после включения питания гирлянды Л1 последовательно, с определенным интервалом, зажигаются Л2 и ЛЗ,а затем также последовательно они гаснут. При значениях емкостей конденсаторов, показанных на схеме, интервал между загоранием (гашением) гирлянд примерно равен 2 с, а весь цикл длится около 42 с; Если уменьшить емкости конденсаторов до 50 мкФ, этот • интервал уменьшится: до 0,2 g и можно будет, получить эффект бегущих огней.
Как же работает этот переключатель? При подключении к сети через нормально замкнутые контакты РЗ)! подается питание
164
на гирлянду Л1 и она загорается. Одновременно начинается sa-ряд конденсатора С1, Когда напряжение на конденсаторе достигнет напряжения срабатывании роле Р1 (примерно 20 В), это реле сработает. Его контакты Р1/1 включат гирлянду Л2, Начнется заряд конденсатора С2. Когда напряжение на С2 достигнет напряжения срабатывания реле Р2, оно своими контактами Р2Ц ъквмяяп гирлянду ЛЗ. Начнется заряд конденсатора СЗ. Когда напряженке этого конденсатора дорастет до напряжения срабатывания реке РЗ, оно включится и разомкнет контакты РЗЦ. Гирлянда JI1 погаснет, но реле Р1 отпустит не сразу, так как начнется разряд конденсатора С1 через обмотку реле Р1. Ток разряда будет поддерживать включенное состояние реле. По мере разряда С1 ток через обмотку реле будет уменьшаться и настанет момент, когда реле Р1 отпустит. Тогда разомкнутся контакты Р1/1 и погаснет гирлянда Л2. Снимется питание с конденсатора С2 и начнется егв разряд на обмотку реле Р2. Когда напряжение на конденсаторе С2 и обмотке реле Р2 понизится, реле Р2 также отпустит и своими контактами Р2/1 выключит гирлянду ЛЗ. Начнется разряд кок* денсатора СЗ на обмотку реле РЗ, после чего последнее также отпустит, замкнув контакты РЗ/1. Вновь загорится гирлянда Л1 и начнется заряд конденсатора С1. Далее цикл будет повторяться.
В схеме используются реле типа РКН паспорта РС4.500.086П2 с сопротивлением обмотки 4000 Ом и током срабатывания 5 мА. Оно имеет одну группу переключающихся контактов. В каждом реле из трех контактов группы используются только два: у реле Р1 и Р2 — контакты, работающие на замыкание (нормально ра* зомкнутые), а у реле РЗ — контакты, работающие на размыкание (нормально замкнутые). Можно также использовать в качестве реле Р1 и Р2 реле РКН паспорта РС4.500.156П2, которое имеет только один замыкающийся контакт, а в качестве РЗ — реле РКН
165
паспорта РС4.500.083П2, имеющее один размыкающийся контакт. Если же использовать поляризованные реле тина РПС-18/7 паспорта РС4.521.851П2 с соединенными последовательно обмоткамй, как было рекомендовано выше, емкости конденсаторов можно уменьшить еще в 5 раз, а сопротивления резисторов взять равными 270 кОм при мощности 0,5 Вт.
. Схема не нуждается в налаживании, нужно только правильно подключить контакты реле.
Замена рекомендованных реле другими
Для использования в разных схемах мы рекомендовали различные реле вполне определенных паспортов, которые, может оказаться, очень трудно приобрести. В этом случае придется использовать другие типы реле. Как же выбрать другое реле для замены? В первую очередь нужно обратить внимание на сопротивление обмотки реле, которое должно быть близким к сопротивлению обмотки рекомендованного реле, отличаясь от пего не более чем в 1,5 раза. Если такого реле найти не удастся, можно перемотать обмотку имеющегося реле. Для увеличения сопротивления обмотку реле ыужно намотать бшьее тонким проводом. Намотка может вестись внавал. Количество витков берется таким, чтобы полностью заполнить каркас. Далее нужно проверить напряжение или ток срабатывания рели. Они не должны превышать более чем на 20% установленных паспортом значений. Если же имеющееся реле или реле с перемотанной обмоткой окажутся более чувствительными (напряжение или ток срабатывания меньше рекомендованных), такое реле можно использовать. Для понижения напряжения или тока срабатывания какого-либо реле (для улучшения его чувствительности) нужно удалить все лишние контактные группы, оставив только необходимые для данной схемы, и ослабить возвратную пружину реле. Если по имеющимся контактам реле не подходит к рекомендованной схеме, эти контакты можно перебрать.
Нужную частоту переключения гирлявд подбирают, изменяя сопротивления резисторов и емкости конденсаторов. Так, в схеме, показанной на рисунке 15, интервал между зажиганием гирлянд определяется произведением сопротивления обмотки реле на емкость конденсатора, подключенного параллельно ей. Если используется реле с меньшим сопротивлением обмотки, для сохранения прежней длительности такта придется увеличить емкость конденсатора. При подборе сопротивлений резисторов Rl, R2 и R3 исходят из того, что при отсутствии конденсаторов напряжение на обмотке реле должно быть примерно в 2 раза больше, чем напряжение срабатывания этого реле. На такое же напряжение должен быть рассчитан и конденсатор. Мощность резисторов можно определить экспериментально. Если резистор во время работы перегревается и темнеет его окраска, его нужно заменить более мощным.
РЕЛЕ ВРЕМЕНИ
Реле времени — это устройство, предназначенное для автоматического отсчета определенного, наперед заданного промежутка времени. Обычно начало отсчета, тот момент времени, от ко
166
торого реле должно отсчитать заданный промежуток, задается вручную с помощью выключателя или кнопки. Окончание же заданного интервала времени осуществляется автоматически и фиксируется либо каким-то сигналом, звуковым или световым, либо отключением той нагрузки, которая была включена в момент, соответствующий началу отсчета. Очень часто и запуск реле производится автоматически, когда сигнал для начала отсчета заданного интервала времени поступает на реле извне.
Реле времени используются в самых различных системах. Они незаменимы на автоматических линиях, когда какие-либо технологические процессы должны длиться строго определенное время, в медицине — для автоматического’ выключения той или ийой аппаратуры. В наш век бурного- развития электроники реле времени используется и в быту, например, когда надо в заданный момент времени выключить электроплиту или стиральную машину. Тем из вас, кто занимается фотографией, наверное, приходилось не раз отсчитывать время экспозиции при проекционной печати «на глазок». Точность такого отсчета очень мала, и различные отпечатки, сделанные с одинаковых негативов, оказываются разной- плотности. А при цветной печати даже небольшая ошибка приводит к сильным искажениям цветопередачи. И здесь вам поможет реле времени, которое можно изготовить по одной из приведенных ниже схем.
Существует много различных принципов построения электронных реле времени. В большинстве из них используются цепочки, составленные из последовательно соединенных резисторов и конденсаторов (ЯС-цепи). Элементом, который реагирует на окончание заданного интервала времени, может служить транзистор, электронная лампа или газоразрядный прибор. Исполнительным, элементом обычно является электромагнитное реле, которое срабатывает при резком изменении тока через транзистор, электронную лампу или газоразрядный прибор и своими контактами включает или выключает нагрузку по истечении заданного интервала времени. Рассмотрим теперь несколько конкретных схем реле времени.
Реле времени на одном транзисторе
Схема этого реле показана на рисунке 16. При включении устройства в сеть переменное напряжение выпрямляется диодом Д и на криденсаторе С1 образуется выпрямлепное напряжение около 250 В. Это напряжение подается на делитель Rlr R2 и R3. При заданных значениях сопротивлений резисторов на резисторе R3 образуется напряжение, равное примерно 20 В. Транзистор Т закрыт, в связи с тем что его база через резисторы R4—R7 соединена с цепью общего «—». Поэтому реле Р отпущено, его контакты Р1 разомкнуты и лампа увеличителя Л У не горит. При нажатии кнопки Кн конденсатор С 2 подключается к резистору R3 и заряжается до напряжения 20 В. Когда кнопка будет отпущена и ее подвижный контакт вернется в верхнее по схеме положение, положительное напряжение с конденсатора С2 будет подано в цепь базы транзистора и он откроется. Через обмотку реле пойдет ток, реле сработает и контактами Р1 включит лампу увеличителя.
167
Д Д211 R1 12к
Риск 16
В iTo же время происходит разряд конденсатора С 2 током базы транзистора и током, проходящим через резисторы R4—R6. Скорость разряда определяется суммарным сопротивлением этих резисторов. Когда конденсатор С2 разрядится настолько, что напряжение на нем окажется недостаточным, чтобы поддерживать ток коллектора транзистора на уровне, обеспечивающем включенное состояние реле, оно отпустит. Погаснет лампа увеличителя, и схема вернется в исходное состояние.
Резисторы R5 и R6 можно снабдить шкалами и произнести градуировку реле времени, обозначив на шкалах положения резисторов, соответствующие разным выдержкам. Деления по 2 с наносятся на шкалу резистора R5, а деления по 10 с — на шкалу R6. Резистор R7 служит для ограничения тока базы, а резистор R8 — для повышения входного сопротивления транзистора. Выключатель В предназначен для включения лампы увеличителя независимо от реле времени при смене кадра, выборе масштаба увеличения, наводке на резкость.
1 В реле времени, собираемом по этой схеме, используются конденсатор С1 типа КБГИ, КБГМ или другого типа, рассчитанный на рабочее напряжение не менее 400 В, конденсатор С2 типа К50-3, К50-ЗА или К50-ЗБ. При отсутствии диода Д211 его можно заменить диодами Д217, Д218, КД 105В, КД105Г или двумя диодами Д226Б, соединенными последовательно с подключением параллельно каждому из них резистора сопротивлением 100 , кОм. Схема рассчитана на использование электромагнитного реле типа РЭС-9 паспортов РС4.524.204П2 или РС4.524.208П2 с сопротивлением обмотки 9600 Ом и током срабатывания 7 мА. Мощно также использовать реле РЭС-10 паспорта РС4.524.300П2 с сопротивлением Обмотки 4500 Ом и током срабатывания 6 мА.
168
Налаживание схемы сводится к градуировке шкал переменных резисторов R5 и R6. Для градуировки нужен секундомер. Сначала выводят резистор R6 в крайнее положение (верхнее по схеме) и подбирают такое положение R5, при котором выдержка получается равной 2 с. На шкале отмечают соответствующую точку. Затем находят положение, соответствующее выдержке времени, равной 4 с, и отмечают точку на шкале. Аналогично отмечают и остальные точки до 10 с. После этого ставят резистор R5 на нуль (крайнее положение) и производят градуировку резистора R6 через 10 с.
Транзистор КТ604А можно заменить на КТ604Б или КТ605. Коэффициент усиления по току транзистора может быть любым, важно лишь выбрать транзистор с минимальным начальным током коллектора.
Реле времени на двух транзисторах
Очень простая схема реле времени, собранного па двух транзисторах, Показана на рисунке 17. Устройство питается от источника напряжением 4,5 В. В качестве такого источника можно использовать батарею от карманного фонаря типа 3336 Л или три последовательно соединенных сухих элемента типа 373 или 343.
169
Питание реле может осуществляться и от сети, но для этого понадобится усложнить схему: поставить выпрямитель и понижающий трансформатор.
Принцип работы реле времени, собранного ио этой схеме, заключается в следующем. В исходном состоянии база транзистора Т1 соединена с эмиттером через резисторы R1—R4 и транзистор закрыт. Транзистор Т2 открыт, его коллекторный ток протекает через обмотку реле Р, которое срабатывает и своими контактами Р1 разрывает цепь питания лампы увеличителя. При нажатии кнопки Кн конденсатор С быстро заряжается от батареи. Когда кнопку отпускают, на базу транзистора Т1 подается «—», транзистор открывается, а транзистор Т2 закрывается. При этом контакты реле Р1 замыкаются и зажигается лампа увеличителя. После того как кнопка отпущена, начинается разряд конденсатора через резисторы R1—R3. Время разряда определяется суммарным сопротивлением этих резисторов. Когда напряжение на конденсаторе окажется недостаточным для поддержания транзистора Т1 в открытом состоянии, он закроется. Откроется транзистор Т2, сработает реле, и контакты его разомкнут цепь питания лампы увеличителя. Схема вернется в исходное состояние. Выключатель В позволяет включить лампу увеличителя для смены кадра и наводки па резкость и одновременно снимает питание со схемы реле времени.	’
Благодаря низкому напряжению питания реле конденсатор в режиме заряда подключается непосредственно к источнику тока и при нажатии кнопки заряжается почти мгновенно. Поэтому нет необходимости держать кнопку нажатой в течение нескольких секунд.
Градуировка шкал производится по секундомеру. В схеме используется низкоомпоо реле типа РКН паспортов РС4.500.183П2 или РС4.500.182П2. Если увеличить напряжение питания до 6...8 В, можно использовать реле РЭС-15 (паспорта РС4.591.002П2, при 6В, РС4.501 .ООЗП2 или ХП4.591.010П2 при 8В).
Еще одна схёйа реле времени, собранного на двух транзисторах, показана на рисунке 18. Эта схема отличается очень высокой стабильностью выдержки времени, которая не зависит от напряжения питания. Устройство, собранное по этой схеме,сработает следующим образом.
После подачи питания на конденсаторе выпрямителя С1 образуется выпрямленное напряжение — 100 В относительно земли. Транзистор Т1 открыт, в связи с тем что его база через резисторы R1—R3 присоединена к источнику отрицательного напряжения. Конденсатор С2 быстро заряжается базовым током транзистора Т1 через диод Д2 и резистор R4 до напряжения 100 В, причем на его нижней по схеме обкладке получается «+», а на верхней —.«—». Реле обесточено и лампа увеличителя выключена. При нажатии кнопки Кн через обмотку реле Р начинает протекать ток величиной 20 мА и реле срабатывает. Включается лампа увеличителя. Замыкаются контакты. РЗ, и после отпускания кнопки реле остается во включенном состоянии, так как транзистор 7 2 открыт и через обмотку реле протекает ток около 10 мА, достаточный для удержания якоря реле в прижатом состоянии. Причина того, что транзистор ,Т2 открыт и насыщен, заключается в следующем. При срабатывании реле конденсатор С2 через резистор R4 контактами
170
4/ Д226Б
Рис. 18
реле Р2 переключился от минусовой шины выпрямителя к коллектору Т2, потенциал которого при нажатой кнопке равен нулю. В связи с тем что напряжение на конденсаторе равно 100 В, причем «+» па его нижней по схеме обкладке, потенциал нижней обкладки относительно земли становится равным +100 В. Диод Д2 запирается и запирается также транзистор Т1> Теперь потенциал базы Т2 определяется делителем, состоящим из резисторов R6 — R8. Сопротивления резисторов делителя таковы, что этот потенциал отрицателен, вследствие этого транзистор Т2 открывается и входит в насыщение.
Далее начинается процесс разряда конденсатора С2, который определяет длительность выдержки. Строго говоря, конденсатор С2 стремится не разрядиться до нулевого напряжения, а перезаря
171
диться, так как его верхняя по схеме обкладка, ранее подключенная к шине общего «—», теперь присоединена к земле через R4, замкнувшиеся контакты Р2 и промежуток коллектор—эмиттер открытого транзистора Т2, а его нижняя обкладка, присоединенная ранее к земле, теперь подключена к шине общего «—» через резисторы R1 — R3. Ток перезаряда течет по следующей цепи: с земли через транзистор Т2 на его коллектор, через контакты Р2, резистор R4, через конденсатор С2, резисторы R3, R2, R1 на «—» выпрямителя. Скорость перезаряда определяется сопротивлением последовательно соединенных резисторов R1 — R3. По мере перезаряда напряжение на конденсаторе С2 будет падать. Будет также падать и положительный потенциал его нижней обкладки относительно земли. После того как он достигнет нуля, он начнет увеличиваться, становясь отрицательным. В этот момент откроются диод Д2 и транзистор 77, что приведет к запиранию транзистора Т2 и к отпусканию реле. Лампа увеличителя выключится, а верхняя обкладка конденсатора С2 подключится к «—» выпрямителя, и конденсатор быстро зарядится вновь до напряжения 100 В, причем потенциал ого верхней по схеме обкладки относительно земли станет равным — 100 В. Схема вернется в исходное состояние.
Силовой трансформатор Гр, входящий в реле времени, собирается на сердечнике из пластин трансформаторной стали типа ШЧб^при толщине пакета 25 мм. Первичная обмотка содержит 2640 витков провода марки ПЭЛ или ПЭВ диаметром 0,12 мм, вторичная — 1000 витков того же провода. Намотка осуществляется виток к витку с прокладкой между слоями одного слоя бумаги толщиной 0,12 мм. Конденсатор С1 электролитический любого типа, конденсатор С2 бумажный типа МБГО или МБГЧ. Реле может быть взято следующих типов: РЭС-22 паспортов РФ4.500.125П2 и РФ4.500.130П2 или РЭС-32 паспортов РФ4.500.345П2, и РФ4.500. 344П2. Можно взять и другие реле, имеющие две группы контактов, работающие на замыкание, и одну группу — на переключение. В этом случае сопротивление резистора R9 подбирается таким, чтобы при нажатии.кнопки реле надежно срабатывало. Сопротивление резистора R10 в свою очередь должно быть таким, чтобы при отпускании кнопки реле оставалось в прижатом состоянии. Коллекторный ток транзистора Т2 при этом не должен превышать 30 мА.
Градуировка шкал переменных резисторов R1 и R2 производится с помощью секундомера.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Глава I.
I	ЧТО ТАКОЕ АВТОМАТИКА (8)
Первые автоматы (8). Где нужны автоматы (12). Станки-полуавтоматы и станки-автоматы (15). Положительные и отрицательные обратные связи (16). Датчики ’—«органы чувств» автоматов (18). • Усилители (25). Реле (31).
Глава 2.
АВТОМАТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ — ПЕРВАЯ «ПРОФЕССИЯ» АВТОМАТОВ (36)
Курсивный и активный контроль (36). Системы автоматической сиг-Вйй&зации (40). НедистанцйойЙый контроль (45). Дистанционные устройства контроля (50). Телемеханический контроль (53),
'.л	Глава 5.	' •
‘	АВТОМАТИЧЕСКАЯ ЗАЩИТА —
ВТОРАЯ «ПРОФЕССИЯ» АВТОМАТОВ (59)
Глава 4.
АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ (62)
' Глава 5.
АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ (68)	: ’
Важность проблемы управления (69). Что такое информация? (71). Кибернетика — наука об управлении (74). Теория автоматического управления (78). Управляющие машины и системы управления (82).
Глава в.
* ТЕЛЕМЕХАНИКА —УПРАВЛЕНИЕ НА РАССТОЯНИИ (93)
Глава 7.
КОМПЛЕКСНАЯ АВТОМАТИЗАЦИЯ (100)
Машинное проектирование и технологи-автоматы (100). Три формы комплексной автоматизации (103). Роторная линия (106). Станки с числовым программным управлением (109). Автоматизация сборки (114). Роботы манипуляторы (116). Конвейеры и автоматизированные склады (121). Новая технология и автоматизация (124).
173
Глава 8.
АВТОМАТИКА И КАЧЕСТВО ПРОДУКЦИИ (127)
Твоя профессия — автоматика (128). Автоматизация — один из рычагов повышения качества продукции (131).
Глава 9.
ПУТИ РАЗВИТИЯ АВТОМАТИКИ (134)
Будущее, которое начинается сегодня (134). Автоматизированные сельскохозяйственные предприятия (141).
/
Приложение
ЕСЛИ ПОНРАВИЛОСЬ, СДЕЛАЙ САМ (144)
Кодовые замки (145)
Простейший кодовый замок без защиты (145). Кодовый замок с валютой (148). Кодовый замок с защитой и поочередным набором кода (149).
Электронные звуковые сигнализаторы (154)
Звуковой сигнализатор на одном транзисторе (155). Сигнализатор на двух одинаковых транзисторах . (156). Сигнализатор на двух транзисторах разного типа (156). Двухтональный сигнализатор типа сирены (157). Увеличение громкости звучания сигнализатора (158). Питание сигнализатора (158).
Переключатели елочных гирлянд (159)
Самодельные елочные гирлянды (160). Простейшие переключателя (160). Переключатель гирлянд на электромагнитном реле (161). Переключатель с неоновой лампой (163). Переключатель для поочередного зажигания трех гирлянд (164). Замена рекомендованных реле другими (166).
Реле времени (166)
Реле времени на одном транзисторе (167). Реле времени на двух транзисторах (169).
БОРИС ВАСИЛЬЕВИЧ ФОМИН
АВТОМАТЫ
СЛУЖАТ ЧЕЛОВЕКУ
Редактор Т. А. Чамаева Художественный редактор Т. Е. Никулина Технический редактор М. Е. Тургенева Корректор О. 6. Захарова
ИБ № 1960
О
Сдано в набор 08.08.79. Подписано к печати 18.01.80 г. А 06823. 84X4081/з2. Бум. типограф. № 3. ' Гарн. об. нов. Печать высокая. Усл. печ. л. 9,24. Уч.-изд. л. 9,76. Тираж 100 000 экз. Заказ 3923. Цена 25 к.

Ордена Трудового Красного Знамени издательство «Просвещение» Государственного комитета РСФСР по' делам .издательств, полиграфии и книжной торговли. Москва, 3-й проезд Марьиной рощи, 41.
Отпечатано с матриц Саратовского ордена Трудового Красного Знамени полиграфического комбината в областной типографии управления издательств, полиграфии и книжной торговли Ивановского облисполкома, 153628, г. Иваново, ул. Типографская, 6.
Ф 76 Фомин Б.В. Автоматы служат человеку: Кн. для учащихся старших классов. — М.: Просвещение^ 1980.—174 с., ил. — (Мир знаний).
Написанная в популярной форме книга знакомит старшеклассников с физическими основами автоматики и ее применением в современном производстве. В ней рассказано о многочисленных^ порой удивительных автоматах сегодняшнего дня и сделайа попытка'заглянуть в буду* 'Щее/Это позволит школьникам понять роль автоматизации в период научно-технической революции.
В конце книги приведено описание простеющих автоматических устройств, которые могут быть самостоятельно изготовлены учащимися или в кружке технического творчества,
60601—312