Современные технологии и производство

Содержание раздела

Энциклопедия

"Профессии" автоматов

Автоматы контролируют

Теперь, когда мы познакомились с основными элементами автоматических устройств и их взаимосвязью, рассмотрим некоторые области их применения- их "профессии".

Автоматический контроль - это большая и важная область автоматизации производства. Его назначение - получить и обработать информацию о состоянии оборудования, о ходе технологического процесса. Ясно, что без такой информации невозможно никакое управление. Такой контроль необходим на всех стадиях производственного процесса, начиная с получения сырья и кончая распределением готовой продукции. От правильно поставленного контроля во многом зависит качество продукции.

Конечно, добиваться высокого качества продукции нужно всегда. Но в тех случаях, когда от качества изделия зависит надежность всей конструкции, а иногда и жизнь людей, оно приобретает совершенно особое, решающее значение.

Самолеты перевозят за один рейс сотни пассажиров. Некачественная деталь силовой установки или системы управления такого самолета может привести к гибели многих людей. Поэтому контроль за качеством изделия на авиационном заводе ведется необычайно тщательно. Он осуществляется с помощью сложнейшей современной техники. Для контроля ответственных деталей применяются рентгеновские, магнитные, радиотехнические и другие методы (см. ст. "Контрольно-измерительная техника и дефектоскопия").

Существуют автоматические устройства для проверки состояния сложных электрических схем, например, электровоза или судна.

Сравнительно недавно стала развиваться новая научная дисциплина - техническая диагностика. Она разрабатывает методы и технические средства для автоматического контроля за сложными техническими устройствами.

Один из важных, хотя и наиболее простых, видов автоматического контроля - контроль размеров деталей. Такой контроль особенно важен в машиностроении. Остановимся на нем подробнее. Автоматический контролер проверяет, например, размеры изготовляемой детали, чтобы определить, насколько они соответствуют заданным. Совершенно ясно, что от точности контроля зависит качество продукции, соответствие ее стандарту, чертежам, а от быстроты - производительность станка, цеха и всего предприятия. Конечно, можно контролировать и без автоматов, вручную. Но выгодно ли это?

Предположим, станок-автомат делает крепежные болты. Чтобы изготовить один болт, требуется около 3 с, а на контроль, например, только резьбы болта вручную при помощи резьбовых калибров уходит 30 с. Следовательно, для контроля вручную продукции только одного станка-автомата потребуется около 10 человек. Ясно, что контроль массовой продукции, обрабатываемой на автоматическом оборудовании, нужно также автоматизировать.

В случаях, когда контролируемая величина изменяется очень быстро или когда нужна особенная точность, контроль вручную вообще неприменим.

Но контроль, даже если его делает автомат, может осуществляться по-разному. Предположим, деталь полностью готова и контролирующее устройство лишь отделяет годные детали от негодных. Это пассивный контроль. При нем автомат-контролер не вмешивается в производственный процесс.

Более совершенен контроль активный, когда по результатам измерений автомат-контролер производит подналадку станка, корректирует ход технологического процесса и может даже остановить станок в случае, например, поломки инструмента. В некоторых системах контроля контролирующие автоматы при нарушении технологического процесса подают звуковой или световой сигнал.

Активный контроль позволяет свести к минимуму возможность брака. Это подтверждается, например, опытом Первого государственного подшипникового завода в Москве, где работает около 800 систем активного контроля.

Конструкция и назначение автоматических устройств контроля весьма разнообразны. В них используются законы механики, оптики, электротехники. Особенно распространены электрические контролеры, которые отличаются быстротой действия, малыми размерами и малой массой, позволяют передавать результаты контроля на большие расстояния.

Рассмотрим, например, как контролируется скорость газа в трубах химического завода. В трубе закреплен датчик - тонкая платиновая проволочка длиной несколько сантиметров. Она нагревается протекающим по ней электрическим током до 100-400° С. Сопротивление же металлического проводника, как известно, при понижении температуры падает. Чем больше скорость газового потока, тем сильнее охлаждается проволочка, тем, следовательно, меньше ее электрическое сопротивление и больше сила тока в цепи. Вследствие изменений силы тока срабатывает электромагнитное реле, которое приводит в действие механизм, уменьшающий или увеличивающий поступление газа. Таким образом автомат-контролер активно воздействует на объем подаваемого по трубам газа.

Механический контролер. Если частота вращения вала машины окажется выше допустимой, автомат защиты прекратит подачу энергии.

Автомат защиты с фотоэлементом сделал безопасной работу на прессе.

Следует отметить, что и наиболее простые, механические контролеры не собираются оставлять свое рабочее место. Наоборот, их становится все больше и больше. Вот один 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 постепенно расходятся. В том месте, где диаметр шарика точно равен ширине желоба, шарики проваливаются вниз и попадают в отсеки приемника. Самые мелкие 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.

Выбор системы того или иного контрольного автомата, его конструкция определяются многими факторами - скоростью действия, точностью контроля, простотой схемы, стоимостью автомата.

Надежная защита

Другая "профессия" автоматических устройств -автоматическая защита. Выполняя эту обязанность, автоматические устройства не только сигнализируют об опасностях, связанных с отклонением от технологических норм, но и останавливают весь процесс.

Простейшие устройства защиты - обыкновенные электрические "пробки" в вашей квартире. Они охраняют сеть от слишком большой силы тока - возможной причины пожара или других неприятных последствий. Как только в квартире возникает короткое замыкание, тоненькие свинцовые или медные проволочки в "пробках" расплавляются - "перегорают", и ток автоматически выключается. Более удобны "пробки" с биметаллической пластинкой. Если через них протекает ток, сила которого превышает допустимое для цепи значение, то пластинка, нагретая током, изгибается и размыкает электрический контакт. Охладившись, пластинка принимает первоначальную форму, замыкает контакт, и в квартиру снова поступает электрический ток.

Чрезмерная частота вращения вала очень опасна для мощных генераторов, компрессоров и насосов. Это явление обычно возникает при резком уменьшении нагрузки, например в результате аварии. Чтобы не допустить разрушения машины, на валу укрепляют грузы, удерживаемые в соответствующих углублениях пружинами. Когда частота вращения вала превысит нормальное значение, пружины уже не смогут удерживать грузы, и центробежные силы заставят их выйти из углублений и задеть за спусковой крючок. Моментально включается тормозной механизм или реле, которое прекратит подачу энергии к машине, остановит ее.

В нашей стране построены крупнейшие высоковольтные линии электропередачи. Короткое замыкание на такой линии, которое может возникнуть, например, при обрыве провода,- серьезная авария. Но от нее не пострадают ни генераторы, ни трансформаторы, ни соседние станции, включенные в ту же сеть. Линию зорко охраняют мощные автоматические выключатели. При коротком замыкании они отключают аварийный участок, а потребители продолжают получать электроэнергию от других станций.

Опасны и перенапряжения, возникающие в линии, например, при ударе в нее молнии. Поэтому все воздушные линии электропередачи, а также и линии связи оснащают специальными автоматическими устройствами защиты - разрядниками. Если нет перенапряжения, разрядник, включенный между проводом и землей, бездействует. При ударе молнии в провод возникающее в нем высокое напряжение зажигает между электродами разрядника электрический разряд, подобный электрической дуге. В момент разряда провод на доли секунды оказывается замкнутым на землю. Этого вполне достаточно, чтобы снять с линии излишки зарядов. Когда опасность перенапряжения минует и напряжение снизится до нормального, разряд между электродами разрядника прекратится, сопротивление воздушного промежутка восстановится и линия "отключится" от земли.

Все больше и больше появляется у нас автоматических устройств, охраняющих жизнь и здоровье людей.

Каким бы опытным ни был рабочий, обслуживающий пресс, может случиться так, что рука его попадет в опасную зону. Однако к прессу приставлено автоматическое устройство, которое предотвращает несчастные случаи. Как же оно действует?

Лучи света от лампочки проходят через опасную зону и попадают на фотоэлемент. Пресс работает. Но стоит рабочему загородить лучи, поступающие на фотоэлемент,- сработает реле. Оно отключит муфту, соединяющую электродвигатель с приводным валом пресса, и пресс автоматически остановится.

На многих заводах и фабриках, выпускающих текстильные изделия, химические продукты и т. д., велика опасность возникновения пожаров. Поэтому там необходимо принимать самые действенные противопожарные меры.

По потолку пожароопасного помещения проложены трубы, в ответвлениях которых установлены устройства, напоминающие обыкновенные форсунки. Если возникнет пожар, то температура в помещении значительно возрастет, отчего легкоплавкие вставки, закрывающие входные отверстия форсунок, расплавятся. Автоматически включатся насосы, и потоки воды погасят пожар.

Автоматическое регулирование

Важная отрасль автоматики, без которой не может обойтись современная техника,- автоматическое регулирование. Задача его состоит в том, чтобы в течение определенного времени сохранять заданное, установленное значение регулируемой величины. Применяется автоматическое регулирование там, где необходимо поддерживать работу автоматов или прохождение какого-либо процесса в заданном режиме. Например, там, где надо строго сохранять постоянство частоты вращения вала, температуру и т. д.

Откройте капот автомобиля. Среди прочих устройств, обеспечивающих его нормальную работу, вы найдете реле-регулятор. Для чего он?

Каждый автомобиль имеет свою "электростанцию"- генератор постоянного тока. Напряжение, вырабатываемое "им, зависит от частоты вращения вала автомобильного двигателя. Если бы не было автомата, следящего за напряжением генератора, то при малой частоте вращения вала генератор не подзаряжал бы аккумулятор, а при большой - перегорали бы лампочки фар и выходили бы из строя другие электрические приборы.

Реле-регулятор работает просто: он то увеличивает, то уменьшает сопротивление обмотки возбуждения генератора. Стоит напряжению генератора чуть-чуть подняться выше нормы, 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.

Есть и следящие автоматические системы. К городу приближается самолет. Антенна радиолокатора приняла слабый отраженный сигнал, и тотчас вступила в действие автоматическая следящая система. Она будет держать антенну направленной точно на самолет.

Широко распространены копировальные фрезерные станки, работающие по принципу следящих устройств. Они изготовляют копии деталей по моделям. На станке устанавливают заготовку. Легкий щуп скользит по модели, и движения щупа передаются на фрезы, которые обрабатывают заготовку, делают точную копию модели.

Автоматическое управление

Созданы и более совершенные станки, которым модель не нужна. Они работают прямо по чертежу, который станок "читает" с помощью фотоэлемента. А некоторые станки человек "научил" работать по сигналам, записанным на магнитофонную ленту.

По обмотке электродвигателей постоянного тока, особенно мощных, при пуске протекает ток такой силы, что обмотки могут просто сгореть. Кроме того, большие толчки тока в сети сказываются на работе других подключенных к ней двигателей.

Поэтому при пуске мощных электродвигателей применяют пусковой реостат - переменное электрическое сопротивление, которое можно менять плавно или скачком. Им можно пользоваться вручную. Рабочий, включив двигатель, смотрит на амперметр -указатель силы потребляемого тока. Набирая обороты, двигатель сокращает потребление тока из сети. Рабочий при этом поворачивает рукоятку пускового реостата, уменьшая его сопротивление, и не дает силе тока упасть ниже нормы. И так до тех пор, пока двигатель не войдет в нормальный режим.

Но значительно лучше работает схема автоматического пуска двигателя. Рабочему остается только нажать кнопку "пуск". Чувствительные реле изменят сопротивление в цепи якоря и обеспечат нормальный пуск электродвигателя.

А вот пример посложнее.

Прокатный стан - гигант современной техники -выдает очень важную продукцию: стальные рельсы, балки, полосы. В нем насчитывается несколько десятков двигателей самой различной мощности. Главный двигатель стана приводит в движение прокатные валки, его мощность равна нескольким десяткам мегаватт - мощность достаточная, чтобы осветить город с 50-тысячным населением.

Стан дает хорошую продукцию лишь в том случае, если все его узлы и механизмы работают слаженно. Эта слаженность обеспечивается системой автоматического управления.

Только связанные в единую систему автоматы способны управлять таким сложным устройством, как этот прокатный стан. Поэтому автоматическое управление все чаще осуществляется с применением электронного "мозга" - вычислительной машины. Получая информацию от датчиков управляемого объекта, "мозг" автоматического устройства - вычислительная машина - анализирует ее, быстро находит единственно правильное решение и отдает соответствующее приказание. Но об этом подробнее вы прочтете в статье "Управляющие машины и системы управления".

Телемеханика -управление на расстоянии

Автоматическое управление 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 - сложнейшая задача современной техники. Еще более сложным является управление движением межпланетных автоматических станций или спуск на поверхность Луны луноходов и 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 расстоянии. Успех таких полетов обеспечивают десятки автоматических помощников, управляемых на расстоянии.

Изучает и создает устройства, с помощью которых можно управлять машинами-автоматами, контролировать их работу на расстоянии, а также автоматически поддерживать связь между территориально удаленными объектами, особая область 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 (см. ст. "Электрическая связь").

Прежде чем подробнее говорить о применении телемеханики, отметим, что существует два вида управления на расстоянии: дистанционное и телеуправление. Когда осуществлено дистанционное управление, то на каждую операцию, на каждую управляющую цепь выделяется своя линия связи. Предположим, имеется 5 лампочек, каждую из которых вы хотите зажигать и гасить на расстоянии 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 здания, иначе она окажется слишком дорогой да и не очень надежной.

При телеуправлении, наоборот, по одной линии связи передается несколько сигналов, причем передающее устройство автоматически выбирает нужный канал и объект, которому предназначена команда. Автоматический выбор (селекция) пути распространения сигнала - один из основных признаков телемеханических устройств. Схемы селекции очень сложны, но представление об их работе можно получить на таком примере. Пусть по каналу связи передается три сигнала: первый частотой 5 кГц, второй - 10 и третий - 15 кГц. На другом конце линии включены 3 приемника, каждый из которых настроен на 5, 10 или 15 кГц. Когда оператор передает сигнал 5 кГц, его принимает только первый приемник, остальные на него реагировать не будут, и т. д. Такой вид селекции называется частотной селекцией. Применяются и другие виды селекции.

Теперь коротко остановимся на основных областях применения телемеханики.

Впервые широкое применение телемеханика получила в энергосистемах - для управления с единого диспетчерского пункта сложным комплексом электростанций, подстанций и линий электропередачи. В 1940 г. были построены первые гидроэлектростанции, управляемые на расстоянии, на канале имени 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 средствами телемеханики. Сейчас по существу все энергосистемы страны 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.

Широко применяется телемеханика в нефтяной и газовой промышленности. На нефтепромыслах устройствам телемеханики поручены контроль и управление нефтяными, водозаборными скважинами и скважинами, по которым закачивают воду в пласт, а также нефтесборными пунктами, компрессорами, очистительными и другими установками. Без телемеханики невозможна была бы нормальная работа магистральных трубопроводов, протяженность которых нередко достигает нескольких тысяч километров. Телеуправление задвижками, отсекателями, кранами, передача аварийных и других служебных сигналов - все это осуществляется с помощью многочисленных приборов и аппаратов по радиорелейным и кабельным линиям связи, протянувшимся вдоль нефтепроводов.

Железнодорожный транспорт также не обходится без устройств телемеханики. На электрифицированных дорогах применяется телеуправление сетью электроснабжения, в частности тяговыми подстанциями, которые теперь почти полностью автоматизированы. Широко внедрено телеуправление стрелками и путевой сигнализацией (диспетчерская централизация).

Применяется телемеханика также для получения и передачи метеорологических данных в гидрометео-центры и на метеостанции, где по ним составляются прогнозы погоды. Сотни метеостанций в разных районах страны запускают в небо радиозонды, которые передают метеорологам данные о состоянии атмосферы по нескольку раз в день. Радиозонд - это радиотелеизмерительное устройство, которое запускается в верхние слои атмосферы и передает на метеостанцию радиосигналы телеизмерения атмосферного давления, температуры и влажности. Кроме радиозондов широко применяются также автоматические геофизические ракеты, метеорологические спутники.

Исследование космического пространства и планет Солнечной системы с помощью автоматических космических аппаратов - одна из областей человеческой деятельности, развитие которой невозможно себе представить без использования всех средств телемеханики и, конечно, автоматики. Этой области техники в этом томе посвящены специальные статьи, здесь же мы лишь скажем, что 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.

Влияние всевозможных автоматических устройств на развитие техники, промышленного производства из года в год возрастает. Человек перекладывает на плечи автоматов все больше и больше обязанностей. Телемеханика - непременная спутница автоматики, и именно она помогает автоматическим устройствам "общаться" друг с другом. В этом состоит одна из важнейших функций телемеханики в современной технике.

перейти к началу страницы