Автоматизация применяется не только в машиностроительной промышленности. Не менее широко она применяется в металлургической промышленности, в химической, в энергетике, в связи, на транспорте, в легкой промышленности и в военной технике. Автоматизация стала все больше проникать и в области, непосредственно не связанные с производством; очень много автоматических средств применяется в науке: автоматы производят сложнейшие математические вычисления, сортируют корреспонденцию на почтамтах, сортируют и классифицируют разнообразные архивные материалы, составляют библиографии, ведут бухгалтерские расчеты и учет и еще очень многое. И в этой области машины-автоматы позволяют сократить большое количество труда, переместить работников из сферы управления и обслуживания в сферу производства.
Математическая машина.
Это очень полезно для нас, для нашего государства. Ведь бухгалтерская, финансовая, плановая и статистическая работа требует огромного количества расчетов, заполнения массы всяческих документов. Для этого содержится целая армия счетных работников. Занимающиеся таким трудом не создают материальных ценностей, они лишь помогают в этом другим. Нет слов, такой труд полезен и необходим, но всё-таки это труд непроизводительный. Кроме того, хоть работа такого рода и не является физической, умственной ее тоже не всегда назовешь: она однообразна и утомительна. Поэтому гораздо лучше поручить ее машинам, а людям дать возможность заниматься творческим, созидательным трудом.
Итак, существуют типы автоматов, которые в зависимости от внешних условий сами перестраивают программу своих действий и продолжают работать в соответствии с измененной программой. За такой метод работы эти автоматы называют "думающими" машинами.
Для того же чтобы думать, надо, прежде всего, узнавать, или, как говорят в технике, получать информацию о происходящих процессах и изменениях в условиях их протекания. В свою очередь, для того чтобы информацию такого рода получать, надо иметь некоторые чувствительные органы, умеющие различать те или иные изменения в условиях работы. Органы такого рода и называют чувствительными элементами или чувствительными органами, а часто - датчиками.
Те же органы автомата, которые, получив от датчиков информацию, преобразуют ее в сигналы, управляющие ходом процесса, и подают команды исполнительным органам, можно условно назвать "думающими" органами.
"Думающие" автоматы сейчас начинают получать все большее распространение, так как они, хоть и значительно сложней, дают много новых возможностей и преимуществ.
Вспомним снова о центробежном регуляторе Уатта. Он как раз может быть отнесен к автоматическим устройствам такого типа, правда, к самым примитивным. Вращающийся вал регулятора, связанный с маховиком машины, передает информацию, в данном случае - информацию о скорости вращения, к чувствительному элементу - грузикам на шарнирах. Эти грузики "чувствуют" изменения в скорости вращения и в зависимости от этого изменения расходятся или приближаются друг к другу. Такое движение преобразуется в управляющие сигналы и передается рычагом к заслонке, помещенной в паропроводе.
Как мы видим, в регуляторе Уатта некому думать, а между тем такой регулятор заменяет думающего человека и управляет процессом (поддерживает обороты машины неизменными) лучше человека. В этом ничего удивительного нет. Ведь когда изобретали регулятор, человек, в данном случае Уатт, сам заранее подумал за регулятор и продумал действия регулятора во всех возможных обстоятельствах и придал регулятору такие свойства, что регулятор всегда и при всех условиях воздействует на процесс в таком же направлении, в каком это сделал бы на его месте думающий человек. Таким же образом работают и многие другие автоматы и те же математические и логические машины. Правда, в последнем случае действия машины действительно очень напоминают отдельные процессы человеческого мышления, но все-таки это вовсе не означает, что машина сама умеет мыслить. Однако вопросы, которые может решать математическая машина, очень сложные, трудные вопросы. Такая машина может иметь очень большое количество "органов чувств", собирающих большое количество необходимой информации, а необыкновенное быстродействие "думающих" или регулирующих органов позволяет рассчитать или продумать за очень малые промежутки времени очень большое количество вариантов решений и выбрать самое наилучшее. Выбранное решение передается в виде команд на исполнительные органы.
Теперь мне хочется задать вам такой вопрос: какова роль электричества в автоматике и почему именно электротехника и особенно электроника играют в автоматике столь большую роль? Ответ на этот вопрос кроется в тех замечательных свойствах электрической энергии, о которых мы уже говорили. Именно эти свойства позволили применять автоматику в таких областях, где одна механика бессильна что-либо сделать.
Я уже говорил, что, для того чтобы автомат мог работать, он должен чувствовать различные изменения в процессе, которым он управляет. И, для того чтобы процесс происходил в точно заданных пределах, автомат должен чувствовать самые малейшие изменения. Если этого не будет, то невозможно осуществить и точное регулирование процесса. Как известно, регулируемые процессы могут быть самого различного рода: регулирование оборотов двигателя, регулирование температуры печи или холодильной камеры, поддержание постоянства давления в котле, регулирование громкости звука в приемнике и тысячи других самых разнообразных процессов. И в каждом случае регулируется одна или несколько физических величин.
Эти величины могут быть самыми разными, но регулятору надо их уметь чувствовать, то есть иметь соответствующие чувствительные органы. Именно благодаря свойству электроэнергии превращаться прямым путем из любых других видов энергии сконструированы в настоящее время чувствительные элементы, датчики, основанные на методе преобразования физических величин в электрические, позволяют чувствовать разнообразнейшие физические величины, измерять их и переводить в электрические сигналы - на язык, понятный электрической и электронной автоматике. Другое важнейшее обстоятельство, особенно заметное в электронной автоматике, выражается в том, что электрические датчики физических величин очень чувствительны. Что же касается электроники, то она вполне свободно оперирует даже с самыми ничтожными электрическими сигналами, мощность которых невозможно себе представить, так она мала.
Предположим, что нам потребовалось поддерживать строго постоянной яркость света обычной электрической лампы накаливания. Для этого нам придется создать автоматический регулятор, который будет так менять ток в цепи накала лампы, что ее яркость будет оставаться неизменной.
Для того чтобы создать такой автомат, нужно прежде всего научиться измерять величину яркости и величину отклонений яркости от заданной. Каким образом ее можно измерить? Электроника, например, дает нам для этих целей готовый электровакуумный прибор - фотоэлемент. Ток через фотоэлемент будет тем больше, чем больше сила падающего на фотоэлемент света. А можем ли мы средствами механики создать устройство, замеряющее яркость и ее отклонения? Какие физические явления можем мы использовать для этого?
Выдающийся физик П. Н. Лебедев в свое время доказал, что свет давит на стоящие на его пути преграды. Давление это столь ничтожно, что измерить его необыкновенно трудно. Лебедев сумел доказать, что это давление имеется, и даже измерил его величину с помощью механических устройств. До сих пор физики мира поражаются необыкновенной тонкости и остроумию лебедевских экспериментов. Однако устройства, примененные Лебедевым в своих опытах, несмотря на то что они чувствуют световое излучение, в качестве механических датчиков яркости для автомата использоваться не могут. Те усилия, которые развиваются в таких механических устройствах, столь ничтожны, что не могут быть использованы не только непосредственно, но и при применении каких-либо механических усилителей.
Другое дело фотоэлемент. Во-первых, он гораздо чувствительнее к энергии светового излучения, чем любое механическое устройство. Кроме того, ток, протекающий через фотоэлемент, может быть усилен в десятки и сотни тысяч раз с помощью электронных ламп, а теперь и с помощью транзисторов. Мощности же усиленного тока вполне хватит на то, чтобы привести в движение любой исполнительный элемент, скажем - моторчик, перемещающий ползунок реостата, включенного в цепь накала лампы.
Если яркость мала, ток через фотоэлемент будет ниже нормального и автомат выработает такие управляющие сигналы или команды, которые заставят моторчик вращаться так, чтобы ползун, реостата увеличивал бы ток через лампу. Если яркость, наоборот, возросла, то управляющие сигналы заставят моторчик поменять направление вращения на обратное и уменьшать ток через лампу. Когда яркость лампы равна требуемой, на моторчик либо вовсе не подаются никакие сигналы, либо подаются специальные сигналы, запрещающие моторчику вращаться. Впрочем, для моторчика отсутствие сигналов тоже является сигналом. Если на моторчик не подано напряжение, он как раз и не может вращаться.
Как мы с вами говорили, механическую энергию нельзя передавать на большие расстояния, электрическую энергию и особенно радиоволны можно передавать практически на любые расстояния. Это позволяет осуществлять регулирование процессов на таких объектах, которые могут находиться на очень больших расстояниях от места, где установлен автомат, управляющий этими процессами.
Например, можно автоматически управлять полетом самолета или ракеты с земли. Управляющие органы автоматов будут установлены на каком-либо посту управления, а датчики и исполнительные органы - на самолете. Регулированием и управлением на больших расстояниях занимается так называемая телемеханика. Фактически механика в чистом виде в этой области техники почти не применяется, она только в названии осталась.
И еще об одном, важнейшем, свойстве электроники следует сказать - о быстродействии. В этом с электроникой в настоящее время ничто не может сравниться. Электронные чувствительные элементы и элементы управления могут легко реагировать на изменения, происходящие с огромной скоростью, практически в тот же миг, как случилось само изменение. Электронные элементы часто поэтому называют безынерционными.
Именно быстродействие электронных устройств позволило создать математические машины, способные рассчитать траекторию снаряда быстрее, чем снаряд пролетит по ней. Именно это свойство позволило производить за очень малое время расчетные работы такого объема, с которыми не могут справиться сотни квалифицированных расчетчиков.
Теперь, пожалуй, мне осталось рассказать вам, где и как работают современные автоматы. Обо всех областях их применения я, конечно, рассказать не имею возможности, да и не знаю всего. Я приведу только примеры.
Мы уже знаем с вами, что автоматику очень выгодно применять при массовом производстве, где она значительно повышает производительность труда, улучшает качество продукции и снижает ее себестоимость. Но не менее важно применение автоматики в тех областях, где человек не может по каким-то причинам выполнять работу сам. Таких причин много. Основных же, пожалуй, две: безопасность человеческой жизни и здоровья и очень быстрое протекание некоторых процессов, такое быстрое, что человек не в силах уследить за ними.
Так, например, в настоящее время человек не может быть помещен в ракету. Первые космические ракеты покинут Землю наверняка без людей, слишком еще будет велик риск, слишком много впереди будет неизвестного. Поэтому полетом ракет будет управлять автоматика. В целях сохранения человеческой жизни и здоровья автоматизируют многие процессы в атомной промышленности, так как они часто оказывают вредное влияние на человека.
Возьмем другой случай. В настоящее время ученые очень интересуются метеоритами. Мы знаем, что метеоритов падает на Землю очень много. Но часто ли мы их видим? Очень редко. В иную августовскую безлунную ночь можно подолгу любоваться звездным небом, а увидишь за час-два, может быть, две - три "упавшие звезды". Бывает и так, что кто-нибудь заметит метеоритный след, вскрикнет даже: "Смотрите, звезда упала!", но, пока другие успеют повернуться, все уже исчезнет. Недаром же есть такое поверье, что, если успеешь загадать какое-нибудь желание при виде падающей звезды, это желание обязательно исполнится. Что же, попробуйте проверьте, правильно ли такое поверье. Я думаю, вам не удастся это сделать, не успеете еще ни о чем подумать, а метеорит уже сгорит и померкнет его след.
Естественно, что ученых такое положение не может устраивать, так они никогда не смогли бы изучить явления, связанные с попаданием метеоритов в атмосферу Земли. И вот, для того чтобы наверняка "ловить" метеориты, измерять скорость их движения, возмущения, которые они вызывают в верхних слоях атмосферы, ученые применили автоматы. Автоматы эти должны мгновенно обнаружить появление метеорита в атмосфере и следить за ним во все время его полета. Такие автоматы есть, и они легко и просто успевают следить за метеоритами.
Есть и много других случаев, когда человек просто-напросто не может даже сравниться по быстродействию с автоматами. Автоматическим же устройствам, особенно электронным, ничего не стоит управлять такими быстро протекающими процессами, длительность которых исчисляется очень малыми долями секунды, в некоторых случаях доходящими до сотых и даже тысячных долей. Некоторые электронные автоматы могут действовать и гораздо быстрее.
Все вы видели высоковольтные линии электропередач. Опоры линий - высокие ажурные мачты - шагают через леса, реки, соединяя мощные электростанции с крупными промышленными и экономическими центрами. К опорам подвешены гирлянды изоляторов, несущих провода, по которым течет ток высокого напряжения. Черепетская ГРЭС (Государственная районная электростанция) имеет, например, мощность 600 тысяч киловатт. Такой мощности достаточно для того, чтобы могли гореть шесть миллионов стоваттных лампочек, то есть, в среднем, осветить полтора - два миллиона квартир. Такая мощность может быть передана по одной трехфазной линии передач на напряжении 400 киловольт.
Представьте себе, что во время грозы молния ударила в линию или электрическую подстанцию, установленную на этой линии. Надо сказать, что такие случаи, когда удар молнии вызывает повреждения, очень редки, потому что применяется много средств защиты от грозы и на линиях и на подстанциях. Но все-таки полной гарантии от такого случая нет. Удар же молнии может привести к короткому замыканию между проводами - фазами или даже между фазами и землей.
Ясно, что при коротком замыкании на линии, если его не устранить как можно быстрее, может произойти порча оборудования на электроподстанциях и на самой электрической станции, а также и нарушение снабжения электроэнергией. Чем крупнее электростанция, чем крупнее потребитель электроэнергии, тем опаснее такое явление. Перерыв в подаче электроэнергии, даже если он будет длиться доли часа, может привести к колоссальным материальным потерям и даже к человеческим жертвам. Нет тока, значит, - не работают насосы и вентиляция в шахтах, нет тока - застывает металл в электропечах, останавливаются электропоезда, нарушается производственный цикл целого ряда непрерывных процессов, особенно химических и металлургических. Нет тока - и в руках хирурга перестают действовать новейшие хирургические инструменты и аппаратура.
Недаром же во всех особо важных случаях всегда предусматривается питание от резервных электростанций или даже аккумуляторных батарей.
Но все-таки много ли случаев бывало в вашей жизни, когда вы становились свидетелями длительных перерывов в подаче электроэнергии на предприятия или даже в жилые дома? Очень мало, а то и совсем не было. Как же? Ведь повреждения на линиях все-таки бывают? Бывают. Правда, чаще всего они не связаны с грозами, а происходят по самым разным причинам. И за год случаев, когда на линии происходит короткое замыкание, может быть даже не один, а несколько.
Что происходит, когда по неосторожности вы или ваши близкие вызываете короткое замыкание, включив неисправную настольную лампу, электрический утюг, пылесос или что-либо подобное? Свет в квартире моментально гаснет, проводка в квартире отключается от общей электрической сети. Отключение происходит оттого, что при коротком замыкании значительно увеличивается ток и перегорают пробки, или, как их называют электрики, плавкие вставки. Устранив причину замыкания и заменив пробки, мы снова восстановим цепь и снова, если, конечно, желание останется, можем проделывать столь же рискованные эксперименты. Хорошего в этом, правда, ничего нет, но все-таки, если пробки подобрать правильно, повреждений в остальной части сети не будет.
Если же плавкие вставки подобраны неправильно, а это всегда бывает, когда доморощенные электрики вместо пробок вставляют "жучки", то они при коротком замыкании могут не расплавиться. Тогда часть проводки, в которой произошло замыкание, не отключится от сети и по ней потечет ток короткого замыкания, в десятки, а то и в сотни раз превышающий нормальный ток. При этом начнут нагреваться провода не только в поврежденном участке, но и в остальной части сети, и могут случиться разные неприятности. От перегрева провода могут замкнуться еще где-нибудь, что приведет к новому возрастанию тока и еще большему нагреву остальной части проводки, обмоток понизительного трансформатора и так далее. Может возникнуть и пожар.
Поэтому плавкие вставки ставятся не только в квартирах. Ставятся они и дальше, на каждом разветвлении электрической сети низкого напряжения. Чем более мощный потребитель, тем более мощные плавкие вставки. Некоторые виды электрического оборудования защищаются плавкими вставками, которые перегорают от тока в 30 тысяч ампер! Такой ток потребляют почти 30 тысяч стоваттных лампочек на напряжении 127 вольт.
Что же, и линии электропередач тоже защищают от повреждений плавкими вставками? Нет, так делать невыгодно. Хоть плавкая вставка, перегорев, и защитит линию от развития повреждения или аварии, однако сделает это она не так хорошо, как другие автоматические устройства, называемые релейной защитой. Устройства релейной защиты - это автоматы, отключающие поврежденное оборудование от остальной части сети. По существу, они играют роль пробок, но только их задачи и условия работы значительно сложнее. Релейная защита применяется и для защиты линий и для защиты оборудования - трансформаторов, генераторов, синхронных компенсаторов. В наши дни, когда по линиям передач передаются очень высокие мощности, когда и генераторы и трансформаторы также работают на очень высоких мощностях и напряжениях, от релейной защиты требуется очень большое быстродействие.
Так, в случае повреждения на линии релейная защита линии срабатывает за десятые доли секунды, а в новейших системах время ее срабатывания доведено до 0,03-0,04 секунды. За это время поврежденный участок линии или поврежденное устройство должны отключиться. Обычно при этом повреждение не успевает развиться и вывести из строя линию или, например, трансформатор.